1000 gånger snabbare laddning med nytt mikrobatteri

Efter årtionden av närmast linjär utveckling av batterier kan vi ha nått en tröskel till en ny generation superbatterier. Det meddelar forskare vid University of Illinois som tagit fram mikrobatterier många gånger effektivare än dagens teknik – och kan laddas 1000 gånger snabbare.

När man idag ska tillgodose ström utan anslutning till eluttag till en komponent – varesig det rör sig om en antenn, en dator, en laser eller en Duracelkanin – så finns det två energikällor man huvudsakligen kan använda sig av; batterier, kondensatorer eller kombinationer av de båda. Batterier för med sig fördelen att de kan bära mycket laddning och hålla den under en längre tid, dock till bekostnad av maximal uteffekt till komponenterna och uppladdningstid.

En kondensator kan å andra sidan ge rejäl effekt (många partikelacceleratorer använder sig av jättelika kondensatorer som laddas upp nattetid, för att sedan kunna ge ifrån sig en stor mängd energi under kort tid vid partikelkollisioner), men kan ta lång tid att ladda upp, och håller inte i närheten lika lång tid som ett batteri. Denna balansgång mellan effekt och energikapacitet har varit svår att bryta sig ur och har satt begränsningar för vad man kan få ut ur en bärbar enhet, hur den kan designas och hur länge man kan använda den i ett sträck. Detta, samt den eviga nageln i ögat att behöva lägga lång tid på att ladda en enhet, är vad forskare vid University of Illonois nu kan ha hittat lösningen på med ett helt nytt sätt att bygga litium-jon-batterier.

Snabbladdande elektroder och effektivt ytanvändande

Batteritekniken kallas något så fint som thee-dimensional bicontinuous nanoporous electrodes. Som utgångspunkt hade forskarna, vid namn William P. King och James Pikul, en existerande teknik för snabbladdande anoder. Det vill säga den positivt laddade elektroden av ett batteri som attraherar anjoner, negativt laddade joner. Forskarna fortskred med att konstruera en matchande katod, det vill säga den negativt laddade elektroden som attraherar katjoner, positiva joner.

“High-performance miniature power sources could enable new microelectronic systems. Here we report lithium ion microbatteries having power densities up to 7.4 mW cm⁻² μm⁻¹, which equals or exceeds that of the best supercapacitors, and which is 2,000 times higher than that of other microbatteries. Our key insight is that the battery microarchitecture can concurrently optimize ion and electron transport for high-power delivery, realized here as a three-dimensional bicontinuous interdigitated microelectrodes. The battery microarchitecture affords trade-offs between power and energy density that result in a high-performance power source, and which is scalable to larger areas.”
– Sammanfattning av avhandlingen

Ässet i rockärmen, och vad som står för merparten av det imponerande långa namnet på tekniken, är strukturen i vilken anoden och katoden är konstruerade. De är byggda i mikroskopisk skala, och överlappar varandra i ett mönster som gör att de två komponenterna har så stor delad ytarea som möjligt. Som konsekvens finns det en större yta över vilken joner och elektroner kan flöda mellan elektroderna, och flödet kan ske oerhört mycket snabbare än i ett traditionellt batteri. I kombination med de redan snabbladdande elektroderna fick forskarna fram battericeller som kan laddas 1 000 gånger snabbare än traditionella batterier.

Drömmar om en ny generation batteriteknik

1 000 gånger snabbare laddning kan låta som en höftad överdrift, men forskarna uttrycker sig väldigt självsäkert med den siffran. En uppenbar effekt vore exempelvis mobiltelefoner eller datorer som kan laddas på sekunder snarare än minuter eller timmar. Men det är inte bara laddningstiden som tagit ett stort steg framåt med tekniken, med vilken battericeller kan lagra 30 gånger mer energi på samma batterivolym – eller kan krympas 30 gånger med bibehållen effekt.

Om tekniken väl tar sig till massproduktion är det inte svårt att låta fantasin springa iväg med alla möjligheter. Batteriet i en smartphone kan krympas med bibehållen batteritid till en storlek liknande den hos en godtycklig nutida mobil processor, och integreras som en komponent på moderkortet istället för en extern klump. Vänder man på siffrorna kan telefonen med bibehållen tjocklek hålla sig vid liv i över en månad – för att sedan laddas på några sekunder. Lägg till den forskning som pågår med kolstrukturen grafen och dess imponerande egenskaper, så finns plötsligt möjligheten till teknologi som knappt var tänkbar för bara några år sedan.

En särskilt intressant implikation av siffrorna som uppvisas är att batterier på allvar kan knappa in på effekten som erbjuds hos kondensatorer, och i många fall prestera bättre. Vi kan komma att se antenner som når 30 gånger längre än nutida antenner med dagens kondensatorer.

“This is a whole new way to think about batteries. A battery can deliver far more power than anybody ever thought. In recent decades, electronics have gotten small. The thinking parts of computers have gotten small. And the battery has lagged far behind. This is a microtechnology that could change all of that. Now the power source is as high-performance as the rest of it.”
– William P. King, University of Illonois

Arbetet har stöd från The National Science Foundation och Air Force Office of Scientific Research, och tester pågår redan för att implementera tekniken i elektronisk utrustning senare i år. Det går dock ännu inte att säkerställa när eller om vi får se batteritekniken i konsumentprodukter, men då den drar till sig mer uppmärksamhet och attraherar investerare har den en god chans att inom en inte allt för avlägsen framtid ge teknik som vi använder den idag en ordentlig skjuts framåt.

Avhandlingen i vilken resultaten presenteras publicerades i vetenskapstidskriften Nature, och finns tillgänglig här.