Ny batteriteknik på molekylär nivå kan förändra lagring

Ett team av innovativa forskare från University of Illinois omprövar energilagringslösningar. Deras nypublicerade studie undersöker hur manipulation av batteriers elektriska dubbelskikt (EDL) förbättrar den elektrokemiska processen, ökar prestanda och skapar mer motståndskraftiga energilagringslösningar.

Studien drar tillbaka ridån för hur EDL:er bildas, samarbetar och hur de kan förändras för att skapa unika fördelar. På så sätt kan deras arbete ha en genomslagskraft på framtida batteriteknik. Här är vad du behöver veta.

Bättre batterier är på väg

Världen är på en sökning efter att skapa bättre batterier för att fortsätta driva det växande antalet bärbara, högteknologiska enheter som genomsnittspersonen använder dagligen. I början av 90-talet kunde en person ha haft en mobiltelefon på sig. Dessa enheter var begränsade till röst- och texttjänster, och de drev batteritekniken framåt.

Idag är det vanligt att någon bär flera enheter såsom smartphones, wearables, surfplattor, bärbara datorer eller andra högteknologiska apparater. Majoriteten av dessa enheter förlitar sig på litiumjonbatterier på grund av deras höga energitäthet och förlängda livscykel jämfört med andra alternativ.

Litiumjonbatterier är den mest populära typen av bärbar lagring som används idag. De har dock många begränsningar och problem som fortsätter driva forskare att söka bättre alternativ. Följaktligen har forskare och investerare satsat miljarder på att skapa mer avancerade och effektiva energilagringslösningar. Denna senaste upptäckt gör det sistnämnda, genom att introducera en ny metod för att skapa bättre batterier över ett brett spektrum av elektrokemiska alternativ.

Elektriska dubbelskikt

För att förstå vikten av forskarnas arbete måste du först förstå vad EDL:er är och hur de kan påverka elektrokemiska processer såsom energiförbrukning och lagringsfunktioner. Noterbart är att konceptet med EDL:er inte är nytt. Det är faktiskt över ett sekel gammalt.

Dessa osynliga elektroner upptäcktes först av Hermann von Helmholtz på 1850-talet. Det var då han noterade att det fanns en rumslig fördelning av elektriska laddningar som endast existerade där vissa fasta ämnen och vätskor möttes.

Källa – Oxford

Intressant nog organiserar sig EDL:er naturligt i nanometertjocka lager vid gränssnitt mellan fasta ämnen och vätskor. Deras tjocklek kan variera från 0,1 till 10 nm beroende på Debyelängden. Debyelängden är ett mått på en laddningsbärares totala elektrostatiska effekt i en lösning. Det är ett värdefullt verktyg som ingenjörer använder för att se räckvidden för elektrostatiska effekter.

Hur EDL:er hjälper den nuvarande generationen

Det finns många sätt på vilka EDL:er hjälper till att upprätthålla den kritiska elektriska obalansen i batterier, vilket resulterar i en spänningsskillnad mellan de två terminalerna. Dessutom påverkar EDL:ernas prestanda i elektrolyter viktiga aspekter av batteriets funktion såsom jontransport, laddningslagring och stabilitet.

Problem med EDL:er idag

Ett av de mest betydande problemen med EDL:er idag är helt enkelt brist på förståelse. Forskare hade ingen insikt i nukleation och tillväxt av EDL:er. Nukleation avser den initiala bildningen av lagret. På så sätt fanns det inget sätt att utnyttja detta ständigt närvarande elektrolytföreteelse för att förbättra energitransport och lagring.

Inuti den banbrytande EDL-batteristudien

Tack och lov har ingenjörer vid University of Illinois kanske löst detta mysterium via sin nyligen publicerade studie¹, “Nukleation vid fast‑vätskegränssnitt åtföljs av omkonfiguration av elektriska dubbelskikt“.

Papperet är det första som använder toppmoderna tekniker för att undersöka de inre funktionerna i EDL:ernas struktur och utveckling på molekylär nivå. Det representerar en monumental milstolpe eftersom det är första gången ingenjörer registrerade den molekylära strukturen av inhomogena EDL:er som omger ytkluster i realtid. För att utföra detta använde teamet 3D atomkraftmikroskopi.

3D atomkraftmikroskopi

I detta fall använde ingenjörer den 3D atomkraftmikroskopen för att fånga bildandet och rörelserna av de molekylära strukturerna vid deras fast‑vätskegränssnitt. De märkte att EDL‑bildandet baserades på de primära formationerna som skapades när batteriet laddades.

Speciellt använde teamet en uppgraderad version av 3D atomkraftmikroskopi som möjliggjorde för ingenjörer att fånga atomnivåförändringar i tre dimensioner. 3D atomkraftmikroskopi‑metoden är idealisk när ingenjörer behöver undersöka komplexa nanostrukturer och har varit avgörande för att driva nästa generations halvledartillverkning framåt.

Primära svar i EDL:erna

Som en del av deras arbete dokumenterade teamet hur EDL:er självorganiseras baserat på den kemiska avsättningen på den fasta ytan. Dessutom fann de att ytirregulariteter kunde förändra dessa formationer, vilket möjliggjorde att de manipuleras till tre primära svar – böjning, brytning eller återanslutning.

I böjningsscenariot kommer EDL att börja bildas runt det initiala klustret. Detta scenario skiljer sig från brytningsåtgärderna där EDL separeras och bildar olika mellanskikt. Slutligen resulterar återanslutningsscenariot i att separerade lager förenas.

En universell metod

Teamet noterade att deras strategi kan fungera som en universell metod för att förbättra EDL:er över alla elektrokemiska processer. De påpekade också att EDL‑prestanda hade mindre att göra med specifik kemi och mer med den begränsade storleken på vätskemolekylerna.

Testning av den nya EDL-batteridesignen

För att testa sina teorier skapade de en skräddarsydd elektrokemisk 3D atomkraftmikroskopimetod. Det uppgraderade systemet gjorde det möjligt för teamet att övervaka EDL:s struktur från bildning på ett jonvätske-/grafitbatterianodsystem.

Denna mycket detaljerade metod gav forskare stora fördelar. För det första kunde de kvantifiera de rumsliga densitetsprofilerna. Dessutom gav den nya metoden djupare insikt i tillväxtkinetiken för EDL:er och hur varierande faktorer som kemiska och nodmaterialförändringar påverkar prestanda.

Vad EDL‑studien avslöjade

Resultaten från testfasen visade att ingenjörerna hade rätt i sin antagelse att den initiala fasen av ytnukleation kunde manipuleras för att skapa unika handlingar. De kunde initiera nyckelåtgärder såsom uttalad omstrukturering.

3D-mikroskopimetoden hjälpte teamet att inse att böjnings-, brytnings- och/eller återanslutningsmönstren förändras när storleken på den lokala interfasklustern förändras och är universella under nukleation och tillväxt. Dessa upptäckter kan hjälpa till att driva framtida batteriutveckling framåt.

Fördelar med EDL‑optimering

Det finns flera fördelar som denna studie ger till marknaden. För det första kommer den att hjälpa ingenjörer att bättre förstå de nyckeldetaljer som gör batterier mer effektiva på molekylär nivå. Dessa data kommer att hjälpa ingenjörer att skapa mer effektiva batterier i framtiden.

Mindre enheter

En annan nyckelaspekt av denna forskning är att den kommer att hjälpa batteriingenjörer att skapa mindre lagringsenheter. Dessa enheter blir ännu viktigare i takt med att mikroelektronik fortsätter bli en väsentlig del av vardagen. I framtiden kan du se denna teknik bidra till att pacemakers och andra wearables fortsätter fungera.

Lätt att integrera teknik

Den information som erhållits från denna forskning kommer att vara lätt att integrera i nästan alla elektrokemiska batteridesigner. Den universella naturen av denna upptäckt innebär att den kan hjälpa till att förbättra mycket mer än bara batteriets effektivitet.

Verkliga tillämpningar & tidslinje:

Det finns många tillämpningar för de data som hittats i studien ‘Rethinking Storage Devices’. Dessa tillämpningar kan utnyttja mer effektiva batterier för att skapa bättre produkter och tillhandahålla ytterligare tjänster när det behövs. Här är några av de viktigaste tillämpningarna för denna teknik.

Elfordon

Elfordon är en snabbt växande sektor som är beroende av kraftfulla batterier för att fungera. Dessa företag har gjort enorma investeringar i batteriteknik, med många som samarbetar med startups för att försöka skapa Li‑ion-alternativ. Nu kan dessa företag vilja omforma sina nuvarande batteriuppsättningar för att förbättra prestanda.

Hälsovård

Batterier spelar en avgörande roll inom hälsovården, där de kan vara en kritisk del av någons behandling. Från wearables som är designade för att övervaka en patient till fullskaliga robotarmar, kommer denna batteriteknik att hjälpa till att hålla dessa enheter i drift längre.

Smarta städer

Framväxten av smarta städer runt om i världen kommer att leda till högre energibehov. Förbättringarna som gjorts genom EDL‑omstruktureringsstudien kan hjälpa till att göra smarta städer enklare att driva, eftersom dessa enheter kan konfigureras som stora kraftbanker.

Förnybar energi

Batterier är en kritisk komponent i dagens gröna energialternativ. Sol- och vindkraftverk kan producera mycket energi, men de behöver någonstans att lagra den oanvända kraften. Dagens batterilösningar kan se en drastisk förbättring genom att förbättra EDL och använda den för att skapa massiva lagringslösningar för sol- och vindkraftverk framöver.

Luft- och rymdindustrin

Framtiden för flygning verkar vara elektrisk. Därför finns det redan flera företag som producerar eldrivna flygplan. Hittills har den största begränsande faktorn inom detta område varit batteriers vikt‑till‑effekt‑förhållande. Denna upptäckt kan hjälpa till att övervinna denna begränsning och driva innovation i den batteridrivna luft‑ och rymdindustrin.

Ompröva tidslinjen för energilagring

När du granskar studiens natur är det klokt att uppskatta att denna teknik kommer att börja komma in på marknaden inom de kommande fem åren. För det första måste forskarna samarbeta med en batteritillverkare för att ta de nya produkterna till marknaden. Detta steg kommer att ta minst några år att etablera och initiera tillverkningsplaner.

Forskare inom omprövad energilagring

University of Illinois Grainger College of Engineering var värd för studien ‘Rethinking Energy Storage’. Artikeln listar Yingjie Zhang som huvudforskare och Shan Zhou som huvudförfattare. Artikeln inkluderade även arbete från Qian Ai, Lalith Krishna Samanth Bonagiri, Kaustubh S. Panse och Jaehyeon Kim. Dessutom fick gruppen finansiering från Air Force Office of Scientific Research.

Ompröva framtiden för energilagring

Framtiden för denna teknik är ljus med tillämpningar över ett brett spektrum av elektrokemirelaterade områden. Ingenjörerna kommer nu att fördjupa sig i hur man ytterligare optimerar EDL‑beteende i fast‑tillståndselektrolyter. De kommer också att söka tillverkningspartnerskap och framtida tillämpningar.

Investera i energilagring

Batterimarknaden är en snabbt växande sektor i ekonomin. Batteritillverkare och forskare är avgörande för dagens elektronikdrivna samhälle. Därför konkurrerar flera företag om topplaceringen på denna marknad. Här är ett företag som förblir en innovativ kraftkälla på batterimarknaden.

EnerSys

EnerSys (ENS ) gick in på marknaden år 2000. Det var resultatet av en sammanslagning mellan Yuasa Corporation och GS Battery. De två företagen gick samman, och år 2001 antog de namnet EnerSys för att återspegla deras förnyade fokus på att bli en stor aktör på batterimarknaden. Noterbart är att företaget börsnoterades på NYSE år 2004.

EnerSys erbjuder ett brett sortiment av produkter, inklusive skräddarsydda batterier för telekommunikation, luft- och rymdindustrin, försvar, transport, datacenter och krav på avbrottsfri strömförsörjning. Imponerande är att företagets produkter kan hittas i kritisk industriell utrustning, inklusive gruvverktyg, elektriska gaffeltruckar och andra elfordon.