Nieuwe molecuul-niveau-batterijtechnologie kan opslag transformeren

Een team van innovatieve onderzoekers van de University of Illinois denkt opnieuw na over oplossingen voor energietransport. Hun onlangs gepubliceerde studie gaat in op hoe het manipuleren van de elektrische dubbele lagen (EDL’s) van batterijen het electrochemische proces verbetert, waardoor de prestaties verbeteren en meer veerkrachtige energietransportoplossingen ontstaan.

De studie laat zien hoe EDL’s worden gevormd, samenwerken en hoe ze kunnen worden gewijzigd om unieke voordelen te creëren. Als zodanig kan hun werk een significante impact hebben op toekomstige batterijtechnologie. Hieronder volgt wat u moet weten.

Beter batterijen zijn in aantocht

De wereld is op zoek naar betere batterijen om de groeiende hoeveelheid draagbare, hoogtechnologische apparaten te blijven aandrijven die de gemiddelde persoon dagelijks gebruikt. In de vroege jaren 90 had iemand misschien een mobiele telefoon bij zich. Deze apparaten waren beperkt tot spraak- en tekstservices en zetten de batterijtechnologie vooruit.

Tegenwoordig is het gebruikelijk dat iemand meerdere apparaten bij zich draagt, zoals smartphones, wearables, tablets, draagbare computers of andere hoogtechnologische apparaten. De meerderheid van deze apparaten is afhankelijk van lithium-ionbatterijen vanwege hun hoge energiedichtheid en verlengde levensduur in vergelijking met andere opties.

Lithium-ionbatterijen zijn het meest populaire type draagbare opslag dat vandaag wordt gebruikt. Echter, ze hebben veel beperkingen en problemen die onderzoekers blijven stimuleren om naar betere alternatieven te streven. Gevolglijk hebben onderzoekers en investeerders miljarden geïnvesteerd in het maken van geavanceerdere en efficiëntere energietransportoplossingen. Deze laatste openbaring doet het laatste, door een noviteit te introduceren om betere batterijen te creëren over een breed scala aan electrochemische opties.

Elektrische dubbele lagen

Om het belang van het werk van de onderzoekers te begrijpen, moet u eerst begrijpen wat EDL’s zijn en hoe ze electrochemische processen zoals energieverbruik en opslagfuncties kunnen beïnvloeden. Opmerkelijk is dat het concept van EDL’s niet nieuw is. In feite is het meer dan een eeuw oud.

Deze onzichtbare elektronen werden voor het eerst ontdekt door Hermann von Helmholtz in de jaren 1850. Het was op dat moment dat hij opmerkte dat er een ruimtelijke verdeling van elektrische ladingen bestond die alleen bestond waar bepaalde vaste stoffen en vloeistoffen elkaar raakten.

Source – Oxford

Interessant is dat EDL’s van nature organiseren in nanometer-dikke lagen op vaste-vloeistofgrenzen. Hun dikte kan variëren van 0,1 tot 10 nm op basis van de Debye-lengte. De Debye-lengte is een maat voor het netto electrostatische effect van een ladingdrager in een oplossing. Het is een waardevol instrument dat ingenieurs gebruiken om het bereik van electrostatische effecten te zien.

Hoe EDL’s de huidige generatie ondersteunen

Er zijn veel manieren waarop EDL’s helpen om het cruciale elektrische evenwicht in batterijen te behouden, waardoor een spanningsverschil tussen de twee terminals ontstaat. Bovendien beïnvloedt de prestatie van EDL’s in elektrolyten belangrijke aspecten van batterijprestaties, zoals ionentransport, ladingopslag en stabiliteit.

Problemen met EDL’s vandaag

Een van de grootste problemen met EDL’s vandaag is eenvoudigweg een gebrek aan begrip. Wetenschappers hadden geen inzicht in de nucleatie en groei van EDL’s. Nucleatie verwijst naar de startvorming van de laag. Als zodanig was er geen manier om dit altijd aanwezige elektrolytfenomeen te gebruiken om energietransport en -opslag te verbeteren.

Binnen de doorbraak EDL-batterijstudie

Gelukkig kunnen ingenieurs van de University of Illinois mogelijk dit mysterie hebben ontrafeld via hun onlangs gepubliceerde studie¹, “Nucleatie bij vast-vloeistofgrenzen gaat gepaard met de reconfiguratie van elektrische dubbele lagen”.

Het artikel is het eerste dat state-of-the-art-technieken gebruikt om de innerlijke werking van EDL’s structuur en evolutie op moleculair niveau te onderzoeken. Het vertegenwoordigt een monumentale mijlpaal, aangezien het de eerste keer is dat ingenieurs de moleculaire structuur van inhomogene EDL’s omringende oppervlakteclusters in real-time hebben geregistreerd. Om deze taak uit te voeren, gebruikten het team 3D-atoomkrachtmicroscopie.

3D-atoomkrachtmicroscopie

In dit geval werd de 3D-atoommicroscoop door ingenieurs gebruikt om de vorming en beweging van de moleculaire structuren op hun vast-vloeistofgrenzen te registreren. Ze merkten op dat de EDL-vorming was gebaseerd op de primaire formaties die werden gecreëerd toen de batterij aan het opladen was.

Opmerkelijk is dat het team een verbeterde versie van 3D-atoomkrachtmicroscopie gebruikte die ingenieurs in staat stelde om atoomniveau-veranderingen over drie dimensies te registreren. De 3D-atoomkrachtmicroscopie-methode is ideaal wanneer ingenieurs complexe nanostructuren moeten onderzoeken en is cruciaal gebleken bij het stimuleren van de productie van next-gen halfgeleiders.

Primaire reacties in de EDL’s

Als onderdeel van hun werk documenteerden het team hoe de EDL’s zichzelf organiseren op basis van de chemische afzetting op het vaste oppervlak. Bovendien ontdekten ze dat oppervlakte-onregelmatigheden deze formaties konden wijzigen, waardoor ze konden worden gemanipuleerd in drie primaire reacties – buigen, breken of opnieuw verbinden.

In het buigscenario zal de EDL beginnen met de vorming rond de initiële cluster. Dit scenario is anders dan de brekende acties waarbij de EDL zal splitsen en verschillende intermediaire lagen zal vormen. Ten slotte resulteert het opnieuw verbinden scenario in gescheiden lagen die samensmelten.

Een universele aanpak

Het team merkte op dat hun strategie kan werken als een universele aanpak om EDL’s over alle electrochemische processen te verbeteren. Ze verklaarden ook dat de prestaties van EDL’s minder te maken hadden met specifieke chemie en meer met de eindige grootte van de vloeimoleculen.

Testen van de nieuwe EDL-batterijontwerp

Om hun theorieën te testen, creëerden ze een speciaal ontworpen electrochemische 3D-atoomkrachtmicroscopie-methode. Het verbeterde systeem stelde het team in staat om de structuur van de EDL vanaf de vorming op een ione-liquide/grafietbatterij-anodesysteem te monitoren.

Deze zeer gedetailleerde aanpak bood enkele belangrijke voordelen voor onderzoekers. Ten eerste konden ze de ruimtelijke dichtheidsprofielen kwantificeren. Bovendien bood de nieuwe methode diepere inzichten in de groeikinetiek van EDL’s en hoe variabele factoren zoals chemische en knooppuntmateriaalwijzigingen de prestaties beïnvloeden.

Wat de EDL-studie onthulde

De resultaten van de testfase toonden aan dat de ingenieurs correct waren in hun veronderstelling dat het initiële stadium van oppervlakte-nucleatie gemanipuleerd kon worden om unieke acties te creëren. Ze konden belangrijke acties initiëren zoals duidelijke herschikking.

De 3D-microscopie-aanpak hielp het team om te realiseren dat de buig-, breuk- en/of opnieuw verbindende patronen wisselen wanneer de grootte van de lokale interfasiale cluster verandert en universeel zijn tijdens nucleatie en groei. Deze ontdekkingen kunnen helpen om toekomstige batterijontwikkeling vooruit te helpen.

Voordelen van EDL-optimalisatie

Er zijn verschillende voordelen die deze studie naar de markt brengt. Ten eerste zal het ingenieurs helpen om de belangrijke details te begrijpen die batterijen op moleculair niveau efficiënter maken. Deze gegevens zullen ingenieurs helpen om in de toekomst efficiëntere batterijen te maken.

Kleinere apparaten

Een andere belangrijke aspect van dit onderzoek is dat het zal helpen om batterijingenieurs kleinere opslagapparaten te maken. Deze eenheden zullen nog belangrijker worden naarmate micro-elektronica een vitaal onderdeel van het dagelijks leven wordt. In de toekomst kunt u deze technologie zien helpen om ervoor te zorgen dat pacemakers en andere wearables blijven werken.

Gemakkelijk te integreren technologie

De informatie die is verkregen uit dit onderzoek zal gemakkelijk te integreren zijn in bijna alle electrochemische batterijontwerpen. De universele aard van deze ontdekking betekent dat het kan helpen om veel meer te verbeteren dan alleen batterijefficiëntie.

Praktische toepassingen en tijdslijn:

Er zijn veel toepassingen voor de gegevens die zijn gevonden in de Rethinking Storage Devices-studie. Deze toepassingen kunnen gebruikmaken van efficiëntere batterijen om betere producten te creëren en aanvullende diensten te bieden wanneer nodig. Hieronder volgen enkele van de belangrijkste toepassingen voor deze technologie.

EV’s

Elektrische voertuigen zijn een snelgroeiende sector die afhankelijk is van krachtige batterijen om te functioneren. Deze bedrijven hebben enorme investeringen gedaan in batterijtechnologie, waarbij veel samenwerken met startups om te proberen lithium-ionalternatieven te creëren. Nu kunnen deze bedrijven proberen hun huidige batterijconfiguraties te verbeteren om de prestaties te verbeteren.

Gezondheidszorg

Batterijen spelen een vitale rol in de gezondheidszorg, waar ze een kritisch onderdeel kunnen zijn van iemands behandeling. Van wearables die zijn ontworpen om een patiënt te monitoren tot complete robotarmen, zal deze batterijtechnologie helpen om deze apparaten langer te laten werken.

Slime steden

De opkomst van slimme steden over de hele wereld zal leiden tot een hogere energievraag. De verbeteringen die zijn aangebracht via de EDL-herstructureringsstudie kunnen helpen om slimme steden gemakkelijker te laten functioneren, aangezien deze apparaten kunnen worden ingesteld als grote stroombanken.

Hernieuwbare energie

Batterijen zijn een kritisch onderdeel van de huidige groene energiealternatieven. Zonne- en windparken kunnen veel energie produceren, maar ze hebben een plek nodig om de ongebruikte energie op te slaan. De huidige batterijoplossingen kunnen een drastische verbetering zien door het verbeteren van de EDL en het gebruik ervan om grote opslagoplossingen voor zonne- en windparken te creëren.

Luchtvaart

De toekomst van de luchtvaart lijkt elektrisch te zijn. Als zodanig zijn er meerdere bedrijven die al elektrisch aangedreven vliegtuigen produceren. Tot nu toe is het belangrijkste beperkende factor in dit veld de gewicht-krachtverhouding van de batterijen. Deze ontdekking kan helpen om deze beperking te overwinnen en innovatie in de batterij-aangedreven luchtvaarteconomie te stimuleren.

Rethinking Energy Storage-tijdslijn

Wanneer u de aard van deze studie onderzoekt, is het verstandig om te schatten dat deze technologie binnen de komende 5 jaar op de markt zal komen. Ten eerste moeten de onderzoekers samenwerken met een batterijfabrikant om de nieuwe producten op de markt te brengen. Deze stap zal minstens een paar jaar duren om op te zetten en de productieplannen te initiëren.

Rethinking Energy Storage-onderzoekers

De University of Illinois Grainger College of Engineering hostte de Rethinking Energy Storage-studie. Het artikel noemt Yingjie Zhang als de leidende onderzoeker en Shan Zhou als de leidende auteur. Het artikel bevat ook werk van Qian Ai, Lalith Krishna Samanth Bonagiri, Kaustubh S. Panse en Jaehyeon Kim. Bovendien ontving de groep financiering van de Air Force Office of Scientific Research.

Rethinking de toekomst van energietransport

De toekomst voor deze technologie is helder met toepassingen in een breed scala aan electrochemisch gerelateerde velden. De ingenieurs zullen nu onderzoeken hoe ze het EDL-gedrag in vast-vloeistoffen verder kunnen optimaliseren. Ze zullen ook naar partnerships met fabrikanten zoeken en toekomstige toepassingen.

Investeren in energietransport

De batterijmarkt is een snelgroeiende sector in de economie. Batterijfabrikanten en onderzoekers zijn essentieel voor de vandaag elektronisch gedreven samenleving. Als zodanig zijn er meerdere bedrijven die concurreren om de topplaats in deze markt. Hieronder volgt een bedrijf dat een innovatieve kracht blijft in de batterijmarkt.

EnerSys

EnerSys (ENS ) kwam in 2000 op de markt. Het was het resultaat van een fusie tussen de Yuasa Corporation en GS Battery. De twee bedrijven sloten zich samen en in 2001 namen ze de naam EnerSys aan om hun vernieuwde focus te weerspiegelen om een belangrijke speler te worden in de batterijmarkt. Opmerkelijk is dat het bedrijf in 2004 live ging op de NYSE.

EnerSys biedt een breed scala aan producten aan, waaronder aangepaste batterijen voor telecommunicatie, luchtvaart, defensie, transport, datacenters en ononderbroken stroomvoorziening. Indrukwekkend is dat de producten van het bedrijf kunnen worden gevonden in gebruik onder kritische industriële apparatuur, waaronder mijnbouwgereedschap, elektrische heftrucks en andere elektrische voertuigen.