Det finns fler mobiltelefoner i världen än det finns människor. Nästan alla drivs av laddningsbara litiumjonbatterier, som är den enskilt viktigaste komponenten som möjliggör den bärbara elektronikrevolutionen under de senaste decennierna. Ingen av dessa enheter skulle vara attraktiv för användare om de inte hade tillräckligt med ström för att hålla i minst flera timmar, utan att vara särskilt tung.

Litiumjonbatterier är också användbara i större applikationer, som elfordon och energilagringssystem för smarta nät. Och forskarnas innovationer inom materialvetenskap, försöker förbättra litiumjonbatterier, banar väg för ännu fler batterier med ännu bättre prestanda. Det finns redan en efterfrågan på högkapacitetsbatterier som inte tar eld eller exploderar. Och många människor har drömt om mindre, lättare batterier som laddas på minuter – eller till och med sekunder – men ändå lagrar tillräckligt med energi för att driva en enhet i dagar.

Forskare som jag, fastän, tänker ännu mer äventyrligt. Bilar och nätlagringssystem skulle vara ännu bättre om de kunde laddas ur och laddas tiotusentals gånger under många år, eller till och med årtionden. Underhållspersonal och kunder skulle älska batterier som kunde övervaka sig själva och skicka varningar om de skadades eller inte längre fungerar med högsta prestanda – eller till och med kunde fixa sig själva. Och det kan inte vara för mycket att drömma om batterier med dubbla ändamål integrerade i strukturen av ett föremål, hjälpa till att forma formen på en smartphone, bil eller byggnad samtidigt som den driver dess funktioner.

Allt detta kan bli möjligt när min forskning och andras hjälp forskare och ingenjörer blir allt skickligare på att kontrollera och hantera materia i individuella atomers skala.

Framväxande material

För det mesta, framsteg inom energilagring kommer att bero på den fortsatta utvecklingen av materialvetenskap, tänjer på gränserna för prestanda för befintliga batterimaterial och utvecklar helt nya batteristrukturer och -kompositioner.

Batteriindustrin arbetar redan för att minska kostnaderna för litiumjonbatterier, inklusive genom att ta bort dyr kobolt från deras positiva elektroder, kallas katoder. Detta skulle också minska de mänskliga kostnaderna för dessa batterier, eftersom många gruvor i Kongo, världens ledande källa till kobolt, använda barn för att utföra svårt manuellt arbete.

Forskare hittar sätt att ersätta de kobolthaltiga materialen med katoder gjorda mestadels av nickel. Så småningom kanske de kan ersätta nickelet med mangan. Var och en av dessa metaller är billigare, rikligare och säkrare att arbeta med än sin föregångare. Men de kommer med en avvägning, eftersom de har kemiska egenskaper som förkortar batteriernas livslängd.

Forskare tittar också på att ersätta litiumjonerna som pendlar mellan de två elektroderna med joner och elektrolyter som kan vara billigare och potentiellt säkrare, som de som är baserade på natrium, magnesium, zink eller aluminium.

Min forskargrupp tittar på möjligheterna att använda tvådimensionella material, i huvudsak extremt tunna ark av ämnen med användbara elektroniska egenskaper. Grafen är kanske den mest kända av dessa - ett ark av kol bara en atom tjockt. Vi vill se om att stapla upp lager av olika tvådimensionella material och sedan infiltrera stapeln med vatten eller andra ledande vätskor kan vara nyckelkomponenter i batterier som laddas mycket snabbt.

Tittar inuti batteriet

Det är inte bara nya material som expanderar världen av batteriinnovation:Ny utrustning och metoder gör det också möjligt för forskare att se vad som händer inuti batterier mycket lättare än vad som en gång var möjligt.

Förr, forskare körde ett batteri genom en viss laddnings-urladdningsprocess eller antal cykler, och tog sedan bort materialet från batteriet och undersökte det i efterhand. Först då kunde forskare lära sig vilka kemiska förändringar som hade hänt under processen och sluta sig till hur batteriet faktiskt fungerade och vad som påverkade dess prestanda.

Men nu, forskare kan se batterimaterial när de genomgår energilagringsprocessen, analysera även deras atomära struktur och sammansättning i realtid. Vi kan använda sofistikerade spektroskopitekniker, såsom röntgentekniker tillgängliga med en typ av partikelaccelerator som kallas synkrotron – såväl som elektronmikroskop och skanningssonder – för att se joner röra sig och fysiska strukturer förändras när energi lagras i och frigörs från material i ett batteri.

Dessa metoder låter forskare som jag föreställa sig nya batteristrukturer och material, gör dem och se hur bra – eller inte – de fungerar. På det sättet, vi kommer att kunna hålla igång batterimaterialrevolutionen.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.