Nuova tecnologia di batteria a livello molecolare potrebbe trasformare l’archiviazione

Un team di ricercatori innovativi dell’Università dell’Illinois sta rivedendo le soluzioni di archiviazione di energia. Il loro studio recentemente pubblicato si addentra nel modo in cui la manipolazione dei doppi strati elettrici (EDL) delle batterie migliora il processo elettrochimico, migliorando le prestazioni e creando soluzioni di archiviazione di energia più resilienti.

Lo studio rivela come gli EDL si formino, cooperino e come possano essere alterati per creare benefici unici. Di conseguenza, il loro lavoro potrebbe avere un impatto significativo sulla tecnologia delle batterie future. Ecco cosa è necessario sapere.

Batterie migliori sono in arrivo

Il mondo è alla ricerca di batterie migliori per continuare a fornire energia al crescente numero di dispositivi portatili e ad alta tecnologia che la persona media utilizza quotidianamente. All’inizio degli anni ’90, una persona poteva avere un telefono cellulare con sé. Questi dispositivi erano limitati a servizi di voce e testo e hanno spinto la tecnologia delle batterie in avanti.

Oggi è comune per qualcuno avere più dispositivi come smartphone, dispositivi indossabili, tablet, computer portatili o altri dispositivi ad alta tecnologia. La maggior parte di questi dispositivi si basa su batterie al litio-ione a causa della loro alta densità di potenza e del ciclo di vita esteso rispetto ad altre opzioni.

Le batterie al litio-ione sono il tipo più popolare di archiviazione portatile in uso oggi. Tuttavia, hanno molti limiti e problemi che continuano a spingere i ricercatori a cercare alternative migliori. Di conseguenza, ricercatori e investitori hanno investito miliardi per creare soluzioni di archiviazione di energia più avanzate e efficienti. Questa ultima scoperta fa lo stesso, introducendo un nuovo metodo per creare batterie migliori in una vasta gamma di opzioni elettrochimiche.

Doppi strati elettrici

Per comprendere l’importanza del lavoro dei ricercatori, è necessario capire cosa sono gli EDL e come possano influenzare processi elettrochimici come la funzione di consumo e archiviazione di energia. Notoriamente, il concetto di EDL non è nuovo. In realtà, ha più di un secolo.

Questi elettroni invisibili furono scoperti per la prima volta da Hermann von Helmholtz negli anni ’50 dell’Ottocento. Fu in questo momento che notò che c’era una distribuzione spaziale di cariche elettriche che esisteva solo dove certi solidi e liquidi si interfacciavano.

Source – Oxford

Interessantemente, gli EDL si organizzano naturalmente in strati spessi nanometri alle interfacce solido-liquido. La loro spessore può variare da 0,1 a 10 nm in base alla lunghezza di Debye. La lunghezza di Debye è una misura dell’effetto elettrostatico netto di un trasportatore di carica in soluzione. È uno strumento prezioso che gli ingegneri utilizzano per vedere la portata degli effetti elettrostatici.

Come gli EDL aiutano la generazione attuale

Ci sono molti modi in cui gli EDL aiutano a mantenere il cruciale squilibrio elettrico nelle batterie, risultando in una differenza di potenziale tra i due terminali. Inoltre, le prestazioni degli EDL negli elettroliti influenzano aspetti chiave delle prestazioni della batteria come il trasporto di ioni, l’archiviazione di carica e la stabilità.

Problemi con gli EDL oggi

Uno dei problemi più significativi con gli EDL oggi è semplicemente la mancanza di comprensione. Gli scienziati non avevano insight sulla nucleazione e sulla crescita degli EDL. La nucleazione si riferisce alla formazione iniziale del livello. Di conseguenza, non c’era modo di utilizzare questo fenomeno elettrolitico sempre presente per migliorare il trasporto e l’archiviazione di energia.

Inside the Breakthrough EDL Battery Study

Fortunatamente, gli ingegneri dell’Università dell’Illinois possono aver risolto questo mistero attraverso il loro studio recentemente pubblicato¹, “Nucleation at solid–liquid interfaces is accompanied by the reconfiguration of electrical double layers“.

Il documento è il primo a utilizzare tecniche all’avanguardia per esaminare la struttura e l’evoluzione degli EDL a livello molecolare. Rappresenta un importante traguardo poiché è la prima volta che gli ingegneri hanno registrato la struttura molecolare di EDL inomogenei che circondano cluster di superficie in tempo reale. Per realizzare questo compito, il team ha utilizzato la microscopia a forza atomica 3D.

3D Atomic Force Microscopy

In questo caso, il microscopio atomico 3D è stato utilizzato dagli ingegneri per catturare la formazione e i movimenti delle strutture molecolari alle loro interfacce solido-liquido. Hanno notato che la formazione di EDL si basava sulle formazioni primarie create quando la batteria era in carica.

Notoriamente, il team ha utilizzato una forma aggiornata di microscopia a forza atomica 3D che ha consentito agli ingegneri di catturare cambiamenti a livello atomico in tre dimensioni. Il metodo di microscopia a forza atomica 3D è ideale quando gli ingegneri devono esaminare nanostrutture complesse ed è stato fondamentale per spingere in avanti la produzione di semiconduttori di prossima generazione.

Primary Responses in the EDLs

Come parte del loro lavoro, il team ha documentato come gli EDL si auto-organizzino in base al deposito chimico sulla superficie solida. Inoltre, hanno scoperto che le irregolarità di superficie potevano alterare queste formazioni, consentendo loro di essere manipolate in tre risposte principali – piegamento, rottura o riconnessione.

Nel scenario di piegamento, l’EDL inizierà a formarsi intorno al cluster iniziale. Questo scenario è diverso dalle azioni di rottura in cui l’EDL si separerà e formerà strati intermedi diversi. Infine, lo scenario di riconnessione porterà a strati separati che si fondono.

Un approccio universale

Il team ha notato che la loro strategia potrebbe funzionare come un approccio universale per migliorare gli EDL in tutti i processi elettrochimici. Hanno anche affermato che le prestazioni degli EDL avevano meno a che fare con la chimica specifica e più con la dimensione finita delle molecole liquide.

Testing the New EDL Battery Design

Per testare le loro teorie, hanno creato un metodo di microscopia a forza atomica elettrochimica 3D appositamente progettato. Il sistema aggiornato ha consentito al team di monitorare la struttura dell’EDL dalla formazione su un sistema di anodo di batteria a liquido ionico/grafite.

Questo approccio dettagliato ha fornito alcuni vantaggi significativi ai ricercatori. Ad esempio, sono stati in grado di quantificare i profili di densità spaziale. Inoltre, il nuovo metodo ha fornito una comprensione più approfondita della cinetica di crescita degli EDL e di come fattori vari come cambiamenti chimici e materiali del nodo influenzano le prestazioni.

Cosa ha rivelato lo studio EDL

I risultati della fase di testing hanno mostrato che gli ingegneri erano stati corretti nella loro ipotesi che lo stadio iniziale di nucleazione di superficie potesse essere manipolato per creare azioni uniche. Sono stati in grado di iniziare azioni chiave come una ristrutturazione pronunciata.

L’approccio di microscopia 3D ha aiutato il team a rendersi conto che i modelli di piegamento, rottura e/o riconnessione si alternano quando la dimensione del cluster di interfaccia locale cambia e sono universali durante la nucleazione e la crescita. Queste scoperte potrebbero aiutare a guidare lo sviluppo di batterie future.

Vantaggi dell’ottimizzazione degli EDL

Ci sono diversi vantaggi che questo studio porta sul mercato. Ad esempio, aiuterà gli ingegneri a comprendere meglio i dettagli chiave che rendono le batterie più efficienti a livello molecolare. Questi dati aiuteranno gli ingegneri a creare batterie più efficienti in futuro.

Dispositivi più piccoli

Un altro aspetto chiave di questa ricerca è che aiuterà gli ingegneri delle batterie a creare dispositivi di archiviazione più piccoli. Queste unità diventeranno sempre più importanti mentre la microelettronica continuerà a diventare un aspetto vitale della vita quotidiana. In futuro, potresti vedere questa tecnologia aiutare a garantire che i pacemaker e altri dispositivi indossabili rimangano in funzione.

Tecnologia facile da integrare

Le informazioni apprese da questa ricerca saranno facilmente integrabili nella maggior parte dei progetti di batterie elettrochimiche. La natura universale di questa scoperta significa che potrebbe aiutare a migliorare molto più della sola efficienza della batteria.

Applicazioni e cronologia nel mondo reale:

Ci sono molte applicazioni per i dati trovati nello studio Rethinking Storage Devices. Queste applicazioni possono utilizzare batterie più efficienti per creare prodotti migliori e fornire servizi aggiuntivi quando necessario. Ecco alcune delle principali applicazioni per questa tecnologia.

EV

I veicoli elettrici sono un settore in rapida crescita che si basa su batterie potenti per funzionare. Queste aziende hanno investito ingenti somme in tecnologia delle batterie, con molte che si sono associate a startup per cercare di creare alternative al litio-ione. Ora, queste aziende potrebbero cercare di rinnovare le loro attuali configurazioni di batterie per migliorare le prestazioni.

Sanità

Le batterie svolgono un ruolo vitale nel settore sanitario, dove possono essere una parte critica del trattamento di qualcuno. Dai dispositivi indossabili progettati per monitorare un paziente a membri robotici completi, questa tecnologia delle batterie aiuterà a mantenere questi dispositivi in funzione più a lungo.

Città intelligenti

L’emergere di città intelligenti in tutto il mondo porterà a una maggiore domanda di energia. I miglioramenti apportati attraverso lo studio di ristrutturazione degli EDL potrebbero aiutare a rendere più facile l’alimentazione di queste città, poiché questi dispositivi possono essere configurati come grandi batterie.

Rinnovabili

Le batterie sono un componente critico delle attuali alternative di energia verde. I parchi eolici e solari possono generare molta energia, ma hanno bisogno di un posto dove archiviare l’energia inutilizzata. Le soluzioni di batteria attuali potrebbero vedere un miglioramento drastico migliorando gli EDL e utilizzandoli per creare soluzioni di archiviazione massive per i parchi eolici e solari in futuro.

Aerospaziale

Il futuro del volo sembra essere elettrico. Di conseguenza, ci sono già molte aziende che producono aerei alimentati elettricamente. Fino ad ora, il principale fattore limitante in questo settore è stato il rapporto tra peso e potenza della batteria. Questa scoperta potrebbe aiutare a superare questo vincolo e guidare l’innovazione nell’economia dell’aerospaziale alimentata a batteria.

Cronologia di Rethinking Energy Storage

Quando si esamina la natura di questo studio, è saggio stimare che questa tecnologia inizierà a entrare nel mercato entro i prossimi 5 anni. Ad esempio, i ricercatori dovranno collaborare con un produttore di batterie per portare i nuovi prodotti sul mercato. Questo passaggio richiederà almeno alcuni anni per essere avviato e iniziare la pianificazione della produzione.

Ricercatori di Rethinking Energy Storage

Lo studio Rethinking Energy Storage è stato ospitato dal Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois. Il documento elenca Yingjie Zhang come principale ricercatore e Shan Zhou come autore principale. Il documento include anche il lavoro di Qian Ai, Lalith Krishna Samanth Bonagiri, Kaustubh S. Panse e Jaehyeon Kim. Inoltre, il gruppo ha ricevuto finanziamenti dall’Air Force Office of Scientific Research.

Ripensare il futuro dell’archiviazione di energia

Il futuro di questa tecnologia è luminoso con applicazioni in una vasta gamma di campi elettrochimici correlati. Gli ingegneri si addentreranno ora nel modo per ottimizzare ulteriormente il comportamento degli EDL negli elettroliti a stato solido. Cercheranno anche partnership di produzione e applicazioni future.

Investire nell’archiviazione di energia

Il mercato delle batterie è un settore in rapida crescita nell’economia. I produttori di batterie e i ricercatori sono vitali per la società elettronica di oggi. Di conseguenza, diverse aziende stanno gareggiando per il posto più alto in questo mercato. Ecco un’azienda che rimane un potere innovativo nel mercato delle batterie.

EnerSys

EnerSys (ENS ) è entrata nel mercato nel 2000. È il risultato di una fusione tra la Yuasa Corporation e la GS Battery. Le due aziende si sono unite e nel 2001 hanno adottato il nome EnerSys per riflettere il loro rinnovato impegno a diventare un importante attore nel mercato delle batterie. Notoriamente, nel 2004, l’azienda è stata quotata alla NYSE.

EnerSys offre una vasta gamma di prodotti, tra cui batterie personalizzate per le telecomunicazioni, l’aerospaziale, la difesa, il trasporto, i data center e le esigenze di alimentazione ininterrotta. Impressionante, i prodotti dell’azienda possono essere trovati in uso tra attrezzature industriali cruciali, tra cui strumenti di miniera, carrelli elevatori elettrici e altri veicoli elettrici.