Miért kaphatnak az okostelefonok frissítést ezzel az új akkumulátorral

Több mobiltelefon van a világon, mint az emberek. Ezek mindegyikét újratölthető lítium-ion akkumulátorok táplálják, amelyek az elmúlt évtizedek hordozható elektronikai forradalmának egyetlen legfontosabb összetevője. Ezen eszközök egyike sem lenne vonzó a felhasználók számára, ha nem rendelkeznek elegendő erővel, hogy legalább néhány órát tartsanak anélkül, hogy különösen nehéz lenne.

A lítium-ion akkumulátorok nagyobb alkalmazásokban is hasznosak, mint például az elektromos járművek és az intelligens hálózatok energiatároló rendszerei. És a kutatók innovációi az anyagtudományban, a lítium-ion akkumulátorok javítására törekszenek, még jobb teljesítményt nyújtva még több elemre. A nagy kapacitású akkumulátorok már igényelnek kialakítást, amelyek nem fognak tüzet vagy felrobbanni. És sokan álmodtak kisebb, könnyebb akkumulátorokról, amelyek percek alatt - vagy akár másodpercek alatt is - töltődnek, mégis elegendő energiát tárolnak egy eszköz napközbeni táplálásához.

A kutatók, mint én, még élvezetesebben gondolkodnak. Az autók és a rács-tároló rendszerek még jobbak lennének, ha több éven át, vagy akár évtizedek alatt több tízezer alkalommal is fel lehetne tölteni és újratölteni. A karbantartó személyzet és az ügyfelek szeretik azokat az elemeket, amelyek nyomon követhetik magukat, és figyelmeztetéseket küldhetnek, ha sérültek, vagy már nem működnek a csúcsteljesítményben - vagy akár meg tudták javítani magukat. És nem lehet túl sokat álmodni az elem szerkezetébe integrált kétcélú akkumulátorokról, segítve az okostelefon, az autó vagy az épület formájának kialakítását, miközben a funkciókat is táplálja.

Mindez akkor válhat lehetővé, amikor a kutatásom és mások segítenek a tudósoknak és mérnököknek egyre jobban elsajátítani az anyagot az egyes atomok skáláján.

Feltörekvő anyagok

Az energia tárolásának előrehaladása nagyrészt az anyagtudomány folyamatos fejlesztésén alapul, a meglévő akkumulátorok teljesítményének korlátait és teljesen új akkumulátorszerkezeteket és kompozíciókat fejlesztve.

Az akkumulátoripar már dolgozik a lítium-ion akkumulátorok költségének csökkentése érdekében, beleértve a drága kobalt eltávolítását a pozitív elektródákról, nevezetesen katódoknak. Ez csökkenti ezen elemek emberi költségeit is, mivel sok kongói bánya, a világ vezető kobaltforrása, a gyermekeket nehéz kézi munkára használja.

Lásd még: Ez a fél akkumulátor, a Half Solar cellás hibrid teljes játékváltó lehet

A kutatók megtalálják a kobalt tartalmú anyagokat leginkább nikkelből készült katódokkal helyettesíteni. Végül is képesek lehetnek a nikkel helyettesítésére mangánnal. Mindegyik fém olcsóbb, bőségesebb és biztonságosabb, mint az elődje. De kompromisszummal jönnek, mert kémiai tulajdonságaik vannak, amelyek lerövidítik az akkumulátorok élettartamát.

A kutatók azt is vizsgálják, hogy a lítiumionok helyettesítik-e a két elektróda közötti ionokat és elektrolitokat, amelyek olcsóbbak és potenciálisan biztonságosabbak, mint a nátrium, magnézium, cink vagy alumínium.

Kutatócsoportom a kétdimenziós anyagok, lényegében rendkívül vékony, hasznos tulajdonságokkal rendelkező anyagok lapok használatának lehetőségeit vizsgálja. Ezek közül a grafén talán a legismertebb, egy szénatom csak egy atom vastag. Azt szeretnénk látni, hogy a különböző kétdimenziós anyagok egymásra rakása és a vízzel vagy más vezetőképes folyadékokkal való beszivárgás lehet-e kulcsfontosságú elem az elemeknél, amelyek nagyon gyorsan töltődnek fel.

Az akkumulátor belsejében

Nemcsak az új, az akkumulátor-innováció világát terjesztő anyagok: az új berendezések és módszerek lehetővé teszik a kutatók számára, hogy könnyebben megismerjék, mi történik az elemeken belül, mint amilyen egyszer lehetséges volt.

A múltban a kutatók egy akkumulátort futtattak egy adott töltés-mentesítési folyamaton vagy ciklusonként, majd eltávolították az anyagot az akkumulátorról, és a tényt követően megvizsgálták. Csak akkor tudtak tudósok megtudni, hogy a folyamat során milyen kémiai változások történtek, és arra a következtetésre jutottak, hogy az akkumulátor hogyan működött és milyen hatással volt a teljesítményére.

De most, a kutatók figyelhetik meg az akkumulátortartalmú anyagokat, amikor az energiamegtakarítási folyamaton mennek keresztül, és az atomszerkezetüket és összetételüket valós időben elemzik. A kifinomult spektroszkópiai technikákat, mint például a szinkrotron nevű részecske-gyorsítóval rendelkezésre álló röntgen-technikákat, valamint az elektronmikroszkópokat és a szkennelő szondákat használhatjuk az ionok mozgásának és a fizikai struktúrák változásának figyelembevételére, mivel az energiát az anyagok tárolják és az anyagokból felszabadítják az akkumulátorban.

Lásd még: Hogyan lehet az akkumulátor áttörése elektromos autókhoz vezetni, amelyek másodpercek alatt töltenek

Ezek a módszerek lehetővé teszik, hogy a kutatók, mint én, elképzeljék az új elemstruktúrákat és -anyagokat, hogy azok megismerjék és milyen jól működnek. Így megtarthatjuk az akkumulátorok forradalmát.

Ezt a cikket eredetileg a Veronica Augustyn beszélgetésében tették közzé. Olvassa el az eredeti cikket itt.