Het smartphonetijdperk is pas iets meer dan een decennium oud, maar de computers op zakformaat die het hart van die maatschappelijke transformatie vormen, zijn alleen echt mogelijk dankzij een andere technologie:lithium-ionbatterijen.

Voor het eerst commercieel verkocht in 1991 door Sony voor zijn camcorders, dit soort batterijen zijn goed voor veel meer dan draagbare consumentenelektronica. Ze vormen het middelpunt van twee andere technologische revoluties met de kracht om de samenleving te transformeren:de overgang van verbrandingsmotoren naar elektrische voertuigen, en de verschuiving van een elektriciteitsnet dat wordt aangedreven door fossiele brandstoffen naar generatoren van hernieuwbare energie die overtollige elektriciteit opslaan in batterijen voor toekomstig gebruik.

Dus hoe werken deze batterijen? Wetenschappers en ingenieurs hebben hun hele loopbaan geprobeerd om betere batterijen te bouwen en er zijn nog steeds mysteries die we niet volledig begrijpen. Het verbeteren van batterijen vereist dat scheikundigen en natuurkundigen kijken naar veranderingen op atomair niveau, evenals mechanische en elektrische ingenieurs die de batterijpakketten kunnen ontwerpen en assembleren die apparaten van stroom voorzien. Als materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Washington en Pacific Northwest National Lab, mijn werk heeft geholpen bij het verkennen van nieuwe materialen voor lithium-luchtbatterijen, magnesiumbatterijen en natuurlijk lithium-ionbatterijen.

Laten we eens kijken naar een dag in het leven van twee elektronen. We noemen een van hen Alex en hij heeft een vriend genaamd George.

Batterij anatomie

Alex leeft in een standaard alkaline AA-batterij, zoals in je zaklamp of afstandsbediening. Binnen een AA-batterij, er is een compartiment gevuld met zink en een ander gevuld met mangaanoxide. Aan een einde, het zink hangt maar zwak aan elektronen zoals Alex. Aan de andere kant, het mangaanoxide trekt krachtig elektronen naar zich toe. Tussenin, voorkomen dat de elektronen rechtstreeks van de ene naar de andere kant gaan, is een stuk papier gedrenkt in een oplossing van kalium en water, die naast elkaar bestaan ​​als positieve kaliumionen en negatieve hydroxide-ionen.

Wanneer de batterij in een apparaat wordt geplaatst en wordt ingeschakeld, het interne circuit van het apparaat is voltooid. Alex wordt uit het zink gehaald, door het circuit en in het mangaanoxide. Onderweg, zijn beweging drijft het apparaat aan, of gloeilamp of wat dan ook is aangesloten op de batterij. Als Alex vertrekt, hij kan niet terugkomen:het zink dat een elektron heeft verloren, bindt zich met het hydroxide om zinkoxide te vormen. Deze verbinding is extreem stabiel en kan niet gemakkelijk weer worden omgezet in zink.

Aan de andere kant van de batterij, het mangaanoxide haalt een zuurstofatoom uit het water en laat hydroxide-ionen achter om het hydroxide dat door het zink wordt verbruikt in evenwicht te brengen. Zodra alle buren van Alex het zink hebben verlaten en zijn overgestapt op het mangaanoxide, de batterij is leeg en moet worden gerecycled.

Voordelen van lithium-ion

Laten we dit vergelijken met George, die in een lithium-ionbatterij leeft. Lithium-ionbatterijen hebben dezelfde basisbouwstenen als alkaline AA-cellen, met enkele verschillen die grote voordelen opleveren.

George leeft in grafiet, wat zelfs zwakker is dan zink om elektronen vast te houden. En het andere deel van zijn batterij is lithium-kobaltoxide, die veel krachtiger elektronen aantrekt dan mangaanoxide - waardoor zijn batterij veel meer energie kan opslaan in dezelfde hoeveelheid ruimte dan een alkalinebatterij. De oplossing die het grafiet en lithiumkobaltoxide scheidt, bevat positief geladen lithiumionen, die gemakkelijk chemische bindingen vormen en verbreken als de batterij wordt ontladen en opgeladen.

Die chemische reacties zijn omkeerbaar, in tegenstelling tot de vorming van zinkoxide, dat is wat de elektronen en de lithiumionen heen en weer laat stromen over vele cycli van opladen en ontladen.

Dit proces is niet 100% efficiënt, hoewel - alle batterijen verliezen uiteindelijk hun vermogen om energie vast te houden. Hoe dan ook, de familie van Li-ion-chemie is krachtig genoeg geweest om vandaag de dag de batterijtechnologie te domineren.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.