Trött på att behöva koppla in telefonen varje kväll? Hjälp kan vara på väg.

Ny forskning vid University of Kansas kan ge batterier som håller längre för de flesta hemelektronik och elektroniska fordon under de kommande åren.

I dag, de flesta amerikaner äger elektroniska enheter som drivs av uppladdningsbara litiumjonbatterier och vissa kör bilar som drivs med litiumjonbatteriteknologi. Men litiumjonbatterier har nackdelar, som behovet av regelbunden laddning.

"Alla vill ha bättre batterier för telefoner, elektronik och bilar, sa Xianglin Li, biträdande professor i maskinteknik. "Det nuvarande litiumjonbatteriet, som används överallt, har inte tillräckligt med energitäthet – du måste ladda din telefon varje dag."

Nyligen, Li tjänade nya $219, 312, tvåårigt anslag från National Science Foundation för att driva fram banbrytande litium-syrebatterier. Han sa att litium-syrebatterier representerar den mest lovande batteriplattformen som ersätter litiumjon.

"Forskningen vi gör på litium-syrebatteriet representerar nästa generations energilagring, " sa han. "Teoretiskt sett, den har ungefär en storleksordning högre lagringskapacitet än litiumjon. Så, om du byter till detta i framtiden, du behöver bara ladda din telefon en gång i veckan. Det finns konkurrerande teknologier som zink-luft- eller litium-svavelbatterier, men litium-syre är helt klart den med högst kapacitet, så det har stor fördel."

Medan litium-syrebatterier lovar mycket större energilagringskapacitet, deras brist är en oförmåga att ladda ur energi lika snabbt som litiumjonbatterier. Tills denna nackdel är övervunnen, litium-syrebatteriteknik kommer att förbli i laboratorieforskningsstadiet, enligt KU-utredaren.

"Problemet är att litiumsyre har låg strömtäthet - det varar länge, men du får inte mycket kraft, " sa Li. "Om du använder litium-syrebatterier för en elbil, du kan köra 500 mil, men du kan inte accelerera särskilt snabbt. Att köra bara några kilometer i timmen är inte särskilt roligt. Så vitt jag vet, nästan alla litium-syrebatterier är fortfarande i forskningsfasen och tekniken har ännu inte en särskilt stor marknad. Prestanda, stabilitet och livslängd är alla problem för litium-syrebatterier nu. Men på 70- och 80-talen, litiumjonbatterier hade liknande problem."

Med sitt nya NSF-bidrag, Li hoppas kunna utveckla teknik för att öka den nuvarande tätheten hos litium-syrebatterier för att göra dem mer praktiska. Han kommer att arbeta i röntgenanläggningen för datortomografi vid Carnegie Mellon University, samarbetar med Shawn Litster.

"Vårt mål är att öka kraften hos litium-syrebatterier med en storleksordning samtidigt som de har den senaste energitätheten, " sa Li.

Li och Litster kommer att fokusera på att förstå och förbättra funktionen hos syreelektroden i litium-syrebatteriet. Li sa att litium-syrebatterier måste absorbera syre från luften genom porer i nanoskala för att underlätta reaktioner. Så, den elektrokemiska prestandan hos litium-syrebatterier beror på vätske-gas tvåfasflödet vid elektrodens porskala. Forskarna strävar efter att bättre förstå den porskaliga transporten av batterielektroderna som styrs av porstorleken, strukturera, anslutning och vätbarhet.

"Shawn Litster på Carnegie Mellon har en unik enhet för att mäta morfologier i nanoskala - teknik som är som en datortomografi på ett sjukhus, men med mycket hög upplösning ner till 20-30 nanometers upplösning, ", sa Li. "Vi vill mäta litium-syrebatteriets elektroder och förstå hur vi kan överföra syre bättre med en förbättrad design. Batteriet måste absorbera syre från luften, så om vi inte tillför syre tillräckligt snabbt, kraften kommer att vara begränsad. Vi kommer att använda hans anläggning tillsammans med våra avancerade modeller och teorier för att försöka designa en högpresterande batterielektrod – och förhoppningsvis kommer vi att ha en prototyp för laboratoriedemonstration."

Utredningen kommer att fokusera på att förbättra syrets tröga massöverföring i batterielektroder.

"Batterier är elektrokemiska enheter där du vill ha en hög reaktionshastighet - och det enda stället där reaktionen kan ske är i elektrod- och elektrolytgränssnittet, " sa Li. "Vi måste skapa en så hög yta som möjligt med hjälp av nanomaterial, men massöverföringen kommer att vara mycket långsam eftersom nanoporer har högre motstånd. I ett litium-syrebatteri, elektrolyten är flytande och massöverföringen genom vätska är mycket långsam jämfört med luft. Ett exempel är att du inte kan andas genom ett papper indränkt med vatten på grund av den höga vattenresistensen mot syreöverföring. Det är samma fall för en flytande elektrolyt, så vi vill skapa gasfasen i vår elektrod för att underlätta syreöverföringen."

Li sa att projektet har potential att resultera i en patenterad teknologi som kan driva på forskning och adoption av litium-syre-teknologin under de kommande åren. Forskarna planerar att bilda potentiella partnerskap med den lokala industrin och nå ut till allmänheten genom Kansas City STEM Alliance.

Dessutom, bidragsarbetet ska stödja utbildningen av två KU-studenter.

"Jag har för närvarande en doktorand som jag tror kommer att följa med mig i sommar för att komma till CMU, " sa Li. "Det är en fantastisk träningsupplevelse. Han tar examen senare i år och nästa år kommer det att finnas ytterligare en doktorand - så jag kommer att utbilda två olika studenter under det här projektet."