Tre forskare som utvecklade en teknologi i hjärtat av smartphone-eran – och den resulterande samhällsomvandlingen – har vunnit 2019 års Nobelpris i kemi. Arbetet av John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham och Akira Yoshino gjorde avgörande framsteg inom litiumjonbatterier, som lagrar stora mängder ström i små battericeller och är snabba och enkla att ladda om.
Först såldes kommersiellt 1991 av Sony för sina videokameror, dessa typer av batterier är bra för mycket mer än bärbar hemelektronik. De är i centrum för två andra tekniska revolutioner med kraften att omvandla samhället: övergången från förbränningsmotorer till elfordon och övergången från ett elnät som drivs av fossila bränslen till förnybara energigeneratorer som lagrar överskottsel i batterier för framtida användning.
Så hur fungerar dessa batterier? Forskare och ingenjörer har ägnat hela karriärer åt att försöka bygga bättre batterier och det finns fortfarande mysterier som vi inte helt förstår. Att förbättra batterierna kräver att kemister och fysiker tittar på förändringar på atomnivå, samt mekaniska och elektriska ingenjörer som kan designa och montera batteripaketen som driver enheter. Som materialforskare vid University of Washington och Pacific Northwest National Lab har mitt arbete hjälpt till att utforska nya material för litium-luftbatterier, magnesiumbatterier och naturligtvis litiumjonbatterier.
Låt oss betrakta en dag i livet för två elektroner. Vi kommer att döpa en av dem till Alex och han har en vän som heter George.
Batteriets anatomi
Alex bor i ett standard alkaliskt AA-batteri, som i din ficklampa eller fjärrkontroll. Inuti ett AA-batteri finns ett fack fyllt med zink och ett annat fyllt med manganoxid. I ena änden, endast zinkenhänger svagt på elektronersom Alex. I andra änden, manganoxidendrar kraftfulltelektroner mot sig själv. Däremellan stoppar elektronerna från att gå direkt från en sida till en annan, en bit papper indränkt i en lösning av kalium och vatten, som samexisterar som positiva kaliumjoner och negativa hydroxidjoner.
När batteriet sätts i en enhet och slås på är enhetens interna krets färdig. Alex dras ut ur zinken, genom kretsen och in i manganoxiden. Längs vägen driver hans rörelse enheten, eller glödlampan eller vad som är anslutet till batteriet. När Alex går kan han inte komma tillbaka: Zinket som har förlorat en elektron binder sig till hydroxiden och bildar zinkoxid. Denna förening är extremt stabil och kan inte lätt omvandlas tillbaka till zink.
På andra sidan batteriet får manganoxiden en syreatom från vattnet och lämnar kvar hydroxidjoner för att balansera ut den hydroxid som förbrukas av zinken. När alla Alexs grannar har lämnat zinken och flyttat till manganoxiden,batteriet är slutoch måste återvinnas.
Litiumjonfördelar
Låt oss jämföra detta med George, som bor i ett litiumjonbatteri. Litiumjonbatterier har samma grundläggande byggstenar som alkaliska AA-celler, med några skillnader som ger stora fördelar.
George lever i grafit, som är ännu svagare än zink när det gäller att hålla fast vid elektroner. Och den andra delen av hans batteri är litiumkoboltoxid, som drar elektroner mycket kraftfullare än manganoxid – vilket ger hans batteri förmågan att lagra mycket mer energi på samma utrymme som ett alkaliskt batteri. Lösningen som separerar grafiten och litiumkoboltoxiden innehåller positivt laddade litiumjoner, som lätt bildar och bryter kemiska bindningar när batteriet laddas ur och laddas.
