Fra bærbare datamaskiner til smarttelefoner til den voksende elbilindustrien, og vår verden er i økende grad avhengig av oppladbare batterier. Men som alle som har eid en bærbar datamaskin i mer enn noen få år vet, mister batteriene etter hvert evnen til å holde full lading.
Forskere har aldri virkelig forstått hvorfor dette skjer, noe som har gjort det til et vanskelig problem å fikse. Men i følge et par nylige studier fra forskere fra det amerikanske energidepartementet, publisert i tidsskriftet Nature Communications, kan vi være nærmere enn noen gang et batteri som ikke ødelegger.
Arbeiderne spesifikt med litium-ion-batterier, ofte brukt i forbrukerenheter på grunn av deres lette vekt og høye kapasitet, har forskerne kartlagt ladnings- og utladningsprosessen ned til milliarddeler av en meter for bedre å forstå nøyaktig hvordan nedbrytning fungerer. De oppdaget to skyldige i batteriforringelse. Den første: mikroskopiske sårbarheter i strukturen til batterimaterialet styrer litiumionene tilfeldig gjennom cellen, og eroderer batteriet på tilsynelatende tilfeldige måter, omtrent som rust som sprer seg over ufullkommenheter i stål. I den andre studien, fokusert på å finne den beste balansen mellom spenning, lagringskapasitet og maksimal ladningssyklus, fant forskere ikke bare lignende problemer med ionestrømmen, men også små ansamlinger av nanoskala krystaller etterlatt av kjemiske reaksjoner, som forårsaker flyt av ioner for å bli enda mer uregelmessig etter hver ladning. Kjør batterier med høyere spenning førte også til flere urbane uregelmessigheter i ionene, og dermed et raskere forringende batteri.
Relatert innhold
- Elbiler kan gjøre byene kjøligere
Det kan se ut som forskere burde ha forstått batteriet - en teknologi som faktisk har eksistert siden 1800 - tiår siden. Men Huolin Xin, en materialforsker ved Brookhaven Lab og medforfatter på begge studiene, sier at den vinnende kombinasjonen av nye teknologier først nylig ble tilgjengelig.
"Mange av de nyeste karakteriseringsverktøyene, for eksempel avvikskorrigerte elektronmikroskop og nye synkrotron røntgenteknikker, var ikke tilgjengelige for 10 år siden, " sier Xin. Men nå, sier han, kan de brukes på studiet av litium-ion-batterier.
De nye dataene gir forskere et tydeligere bilde av hvordan disse batteriene fungerer, noe som kan føre til langvarige batterier innen forbrukerelektronikk i en ikke altfor fjern fremtid. Men det gir også nye problemer. Xin sier at maksimering av overflateområdet er viktig for batteriets ytelse, men at et større overflateareal sannsynligvis også letter forringelse.
"For å forhindre [overflatedegradering], kan vi enten belegge katoden med et beskyttelseslag, " sier Xin, "eller skjule disse overflatene ved å skape grenser i mikronstore pulver [inne i cellen]."
Å finne de mest effektive, kostnadseffektive måtene å gjøre dette på vil være en del av en fremtidig fase av forskningen.
Men Daniel Abraham, en forsker med fokus på litium-ion-batteriforskning ved Argonne National Laboratory utenfor Chicago, er skeptisk til at de nye studiene representerer et reelt gjennombrudd. Han sier at kartleggingsarbeid med lignende materialer har blitt gjort tidligere, inkludert av teamet hans for rundt 12 år siden. Han tror også det kan være mer batteriforringelse enn det de nye studiene har funnet.
"De prøver å få en sammenheng mellom ytelsesforringelse og bildene de ser, noe som kanskje ikke stemmer, " sier Abraham. "Det er delvis historien, men jeg tror ikke det er hele historien."
Xin, er mer optimistisk over at arbeidet vil føre til forbedringer av batteriene, ikke bare for fremtidige elektriske kjøretøyer, men også for bærbar elektronikk.
"Litium-nikkel-mangan-kobolt-oksyd-katode er nylig blitt identifisert som det eneste kommersielt levedyktige materialet for neste generasjons litium-ion-batterier, " sier Xin. "Ved å løse nedbrytningsproblemet vårt, kan vi gjøre neste generasjons batterier mindre og få dem til å lade og tømme mer pålitelig."
De to batteriekspertene er imidlertid enige om at det for mange viktige fremtidige applikasjoner er like viktig å lage en måte å lage batterier som ikke slites ut like viktig som å lage batterier som har større kapasitet.
Xin påpeker at kjøpere av elbiler med rette bekymrer seg for batterisvikt etter at garantien utløper. Abraham bemerker at selv om du sannsynligvis bare trenger et par års ytelse fra smarttelefon- eller nettbrettbatteriet, for elektriske biler, leter de fleste eierne etter et batteri som varer 10 til 15 år. Og for bruk i det elektriske nettet (for å lagre overflødig energi som produseres på uten driftstimer), bør batteriene vare i 30 år eller mer.
Det gjør det enklere å bygge et bedre batteri for den bærbare datamaskinen enn å løse langvarighetsproblemer på andre områder.
"Det er bra å ha en høyere energitetthet, men hvis du har en høy energitetthet, men ikke lang levetid, kommer den kommersielle levedyktigheten til disse teknologiene i spørsmål, " sier Abraham. "Hvis du kan vise at du har en ny teknologi og at den kan vare mellom to og 30 år, blir det umiddelbart kommersielt levedyktig."
Selv om arbeidet til Xin og hans kolleger kan hjelpe forskere med å lage batterier som ikke forringes like raskt, er det klart at ytterligere gjennombrudd vil være nødvendige før vi får se oppladbare batterier som varer et tiår eller mer uten alvorlig slitasje.
