På marknaden har vi flera typer av batterier till vårt förfogande. Ett batteri kan hantera energi för att förse det och på så sätt låta vissa enheter och apparater fungera. Litiumjonbatterier är kraftpaketet i stora delar av den moderna världen, från smartphones, surfplattor för bärbara datorer till elbilar och flygplan. Varje vetenskapligt framsteg som förbättrar batteriprestanda är relevant, och det här är de största batteriinnovationerna 2021.
Vissa framsteg kommer från experimentera med alternativa material medan andra kommer från strategin att helt omdesigna en enhet och hur den fungerar från grunden. Det här är några av de mest kreativa och intressanta exemplen.
Mot en snabbare laddning
Ett av sätten som forskare arbetar för att förbättra batteriernas laddningshastighet är genom att använda porösa strukturer för anoden, en av dess två elektroner. Detta ger en större kontaktyta med den flytande elektrolyten som bär litiumjonerna och gör att de lättare kan diffundera genom materialet. Följaktligen laddas batterierna mycket snabbare.
I november, forskare vid University of Twente skapat en anod med ett material som kallas nickelniobat. Den har en öppen och regelbunden kristallstruktur med upprepning av samma kanaler som underlättar transporten av joner. Arbetade på en full battericell, fann forskare att den erbjöds ultrasnabba laddningshastigheter , upp till 10 gånger snabbare än nuvarande jonbatterier. Det konstaterar forskarna nickelniobat har en högre bulkdensitet än grafit, vilket också kan leda till lättare och mer kompakta kommersiella batterier.
Återupplivar litium
Forskare vid Stanford University har upptäckt ett sätt att neutralisera skadliga grupper av "dött litium" och återuppliva dem för att öka prestandan hos ett batteri. Teamet av forskare upptäckte att "att lägga till en hög strömspänning under omladdningen stimulerade verkan av detta inaktiva litium, vilket fick det att glida "som en mask" och återansluta till elektroden, vilket ökade elektrodens livslängd. batteriet med 30 %”.
Ett genombrott som kan ge förbättringar i designen av snabbladdningsbatterier eller uppladdningsbara batterier. Detta problem är verkligt i nästa generations litiummetallbatterier , vars potential är att hålla upp till 10 gånger mer energi. Därför kan detta framsteg föra med sig nya mycket lovande lösningar.
Nytt batteri i smörgåsstil
Litiummetall har en mycket högre kapacitet och energitäthet än grafit och koppar. Det är därför forskare ser så mycket potential i litiummetallbatterier.
Harvard materialforskare Xin Li presenterade ett nytt batteri i smörgåsstil i maj som kanske kan övervinna några av stabilitetsproblemen som plågar litiummetallkonstruktioner hittills. Efter testning kunde forskargruppen verifiera att batteriet höll sig kvar 82 % av sin kapacitet efter 10,000 20 laddningscykler. Mest lovande, den visade en typ av strömtäthet som en dag skulle kunna låta elfordon ladda på XNUMX minuter.
Naturen som inspirationskälla
I oktober tittade ett team av forskare från USA på en annan intressant lösning på stabilitetsproblemen i samband med litiummetallbatterier. Den här gången vände de sig till naturen för att få inspiration. Detta genombrott började återigen från tanken att använda en fast elektrolyt snarare än en flytande för att bära laddning. I det här fallet använde forskarna cellulosa nanofibriller härrörande från trä .
"Dessa mikroskopiska polymerrör kombinerade med koppar för att bilda en solid jonledare, med små öppningar mellan polymerkedjorna som fungerade som "jonmotorvägar", vilket gör att litiumjonerna kan resa med rekordeffektivitet." Det betyder att materialet har en konduktivitet mellan 10 och 100 gånger högre än andra polymerjonledare.
Ny version av en gammal design
Klor alkalimetallbatterier har funnits sedan 1970-talet och erbjuder hög energitäthet. Högreaktivt klor räcker bara en gång. I augusti kom forskare vid Stanford University på ett sätt att stabilisera denna reaktion och låta dessa typer av batterier laddas.
Lösningen bestod av ett elektrodmaterial "gjort av poröst kol som absorberade oberäkneliga klormolekyler och säkert omvandlade dem till natriumklorid, deras ursprungliga form före urladdning." A cykel som kan upprepas upp till 200 gånger i ett experimentellt batteri som erbjöd ungefär sex gånger densiteten jämfört med nuvarande litiumjonteknologi.
Mycket tunna remsor av litium
Forskare vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) "fokuserade på vad som är känt som fast elektrolytgränssnitt (SEI) , som är en tunn film ovanpå anoden som spelar en viktig kontrollroll genom att kontrollera vilka molekyler som kommer in från elektrolyten under cykeln”.
De hittade en ny lösning i form av mycket tunna remsor av litium med en bredd på cirka 20 mikron, mycket tunnare än människohår. Teamets prototyp för påscellbatteri innehöll denna anod som behöll 76 % av sin kapacitet i 600 cykler.
Användning av fast elektrolyt
Detta förskott har ett batteri med en "halvfast" elektrod tillverkad av natrium- och kaliumlegeringar som forskare jämför med det material som tandläkare använder för att fylla hålrum, på grund av dess fasthet och förmåga att flyta och mögla.
"När detta material kommer i kontakt med fast elektrolyt har det precis rätt mängd elasticitet för att undvika den typ av sprickor som skulle bildas i ett styvare och sprödare elektrodmaterial." Detta material tillåts för högre strömtätheter , cirka 20 gånger mer, vilket banar väg för mycket högre laddningshastigheter.
