Fra bærbare computere til smartphones til den voksende elbilindustri er vores verden i stigende grad afhængig af genopladelige batterier. Men som enhver, der har ejet en bærbar computer i mere end et par år, ved, mister batterier i sidste ende deres evne til at have en fuld opladning.
Forskere forstod aldrig rigtig, hvorfor dette sker, hvilket har gjort det til et svært problem at løse. Men ifølge et par nylige studier fra forskere fra det amerikanske energiministerium, der er offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications, er vi måske nærmere end nogensinde på et batteri, som ikke forringes.
Arbejder specifikt med lithium-ion-batterier, der almindeligvis bruges i forbrugerenheder på grund af deres lette vægt og høje kapacitet, har forskerne kortlagt opladnings- og afladningsprocessen ned til milliarddels meter for bedre at forstå nøjagtigt, hvordan nedbrydning fungerer. De opdagede to skyldige i nedbrydning af batteriet. Den første: mikroskopiske sårbarheder i batterimaterialets struktur styrer lithiumionerne tilfældigt gennem cellen, og eroderer batteriet på tilsyneladende tilfældige måder, ligesom rust spreder sig over ufuldkommenheder i stål. I den anden undersøgelse, der fokuserede på at finde den bedste balance mellem spænding, lagringskapacitet og maksimal ladecyklus, fandt forskere ikke kun lignende problemer med ionstrømmen, men også små akkumuleringer af nanoskala-krystaller, der er efterladt af kemiske reaktioner, som forårsager strøm af ioner for at blive endnu mere uregelmæssig efter hver opladning. Kører batterier ved højere spændinger førte også til flere ionstien-uregelmæssigheder og dermed et hurtigere forringende batteri.
Relateret indhold
- Elbiler kan gøre byerne køligere
Det kan se ud som om forskere burde have forstået batteriet - en teknologi, der faktisk har eksisteret siden 1800 - årtier siden. Men Huolin Xin, en materialeforsker ved Brookhaven Lab og medforfatter til begge studier, siger, at den vindende kombination af nye teknologier først for nylig blev tilgængelig.
"Mange avancerede karakteriseringsværktøjer, såsom afvigelseskorrigerede elektronmikroskoper og nye synchrotron røntgenteknikker, var ikke tilgængelige for 10 år siden, " siger Xin. Men nu, siger han, kan de anvendes til undersøgelse af lithium-ion-batterier.
De nye data giver forskerne et klarere billede af, hvordan disse batterier fungerer, hvilket kan føre til længerevarende batterier inden for forbrugerelektronik i en ikke alt for fjern fremtid. Men det giver også nye problemer. Xin siger, at maksimering af overfladearealet er vigtigt for batteriets ydelse, men et større overfladeareal letter også sandsynligvis nedbrydning.
"For at forhindre [overfladeforringelse] kan vi enten belægge katoden med et beskyttelseslag, " siger Xin, "eller skjule disse overflader ved at skabe grænser inden for pulver i mikronstørrelse [inde i cellen]."
At finde de mest effektive, omkostningseffektive måder at gøre dette på vil være en del af en fremtidig fase af forskningen.
Men Daniel Abraham, en videnskabsmand, der fokuserer på lithium-ion-batteriforskning ved Argonne National Laboratory uden for Chicago, er skeptisk over, at de nye undersøgelser repræsenterer et reelt gennembrud. Han siger, at kortlægningsarbejde med lignende materialer er blevet udført i fortiden, herunder af hans team for omkring 12 år siden. Han mener også, at der muligvis er mere nedbrydning af batteriet end hvad de nye undersøgelser har fundet.
”De prøver at skabe en sammenhæng mellem præstationsnedbrydning og de billeder, de ser, hvilket muligvis ikke er korrekt, ” siger Abraham. ”Det er delvis historien, men jeg tror ikke, det er hele historien.”
Xin, er mere optimistisk over, at arbejdet vil føre til forbedringer af batteriet, ikke kun for fremtidige elektriske køretøjer, men også for bærbar elektronik.
”Lithium-nikkel-mangan-cobalt-oxid-katode er for nylig blevet identificeret som det eneste kommercielt levedygtige materiale til næste generations lithium-ion-batterier, ” siger Xin. "Ved at løse dets nedbrydningsproblem kan vi gøre næste generations batterier mindre og få dem til at oplade og aflade mere pålideligt."
De to batterieksperter er dog enige om, at det for mange vigtige fremtidige applikationer er lige så vigtigt at finde en måde at fremstille batterier, der ikke slides så hurtigt som at skabe batterier, der har en større kapacitet.
Xin påpeger, at købere af elbiler med rette bekymrer sig om batterisvigt, når deres garanti udløber. Abraham bemærker, at selvom du sandsynligvis kun har brug for et par års ydelse fra din smartphone eller tabletbatteri, for elektriske køretøjer, leder de fleste ejere efter et batteri, der varer 10 til 15 år. Og til brug i det elektriske net (til opbevaring af overskydende energi produceret i uden for spidsbelastningstider), bør batterier vare 30 år eller mere.
Det gør det lettere at opbygge et bedre batteri til din bærbare computer end at løse levetidsproblemer på andre områder.
”Det er godt at have en højere energitæthed, men hvis du får en høj energitæthed, men ikke en lang levetid, kommer den kommercielle levedygtighed af disse teknologier i tvivl, ” siger Abraham. "Mens du kan vise, at du har en ny teknologi, og at den kan vare mellem to og 30 år, bliver det øjeblikkeligt levedygtigt kommercielt."
Mens Xins og hans kollegers arbejde muligvis kan hjælpe forskere med at skabe batterier, der ikke nedbrydes så hurtigt, er det klart, at yderligere gennembrud vil være nødvendigt, før vi ser genopladelige batterier, der varer et årti eller mere uden alvorlig slid.
