Cambridge-forskare arbetar med att lösa ett av teknikens största pussel:hur man bygger nästa generations batterier som kan driva en grön revolution.

Som många av oss, när jag vaknar sträcker jag mig efter telefonen på mitt nattduksbord och börjar bläddra igenom Twitter, Instagram, e-post- och nyhetsappar. Jag lyssnar på streamad musik när jag gör mig redo för jobbet och poddar under pendlingen. När jag kommer till kontoret, min telefon behöver redan ett uppsving. Klockan är inte ens 9 på morgonen.

Det är ett modernt mirakel att vi har datorer i våra fickor som är kraftfullare än de som stödde månlandningarna. Men, trots att transistorerna inuti våra telefoner och bärbara datorer har blivit mindre och snabbare för varje år, batterierna som driver dem har inte.

Nyckeln till att göra elektronik bärbar – och driva på en förändring i hur vi kommunicerar och konsumerar information – var kommersialiseringen av litiumjonbatterier av Sony 1991. Litiumjonbatterier är uppladdningsbara, så när enheten är ansluten till en laddare återställer den batteriet för annan användning.

Medan litiumjonbatterier har obestridliga fördelar, som relativt höga energitätheter och lång livslängd i jämförelse med andra batterier och energilagringsmetoder, de kan också överhettas eller till och med explodera och är relativt dyra att tillverka. Dessutom, deras energitäthet är inte i närheten av bensin. Detta gör dem olämpliga för utbredd användning i två stora rena teknologier:elbilar och nätlagring för solenergi. Ett bättre batteri kan göra stor skillnad. Så vad hindrar framstegen?

Professor Clare Gray är en av Storbritanniens ledande batteriforskare och leder en stor forskargrupp vid Cambridges Department of Chemistry. Med hjälp av metoder som NMR-spektroskopi, hennes grupp studerar material som kan användas i nästa generations batterier, bränsleceller och superkondensatorer.

Ett bättre batteri är ett som kan lagra mycket mer energi eller ett som kan laddas mycket snabbare – helst båda. Greys grupp utvecklar en rad olika nästa generations batterier, inklusive litium-luftbatterier (som använder oxidation av litium och reduktion av syre för att inducera en ström), natriumbatterier, magnesiumbatterier och redoxflödesbatterier.

Ett fungerande litium-luftbatteri, till exempel, skulle ha en teoretisk energitäthet tio gånger högre än ett litiumjonbatteri, ger det potentiella tillämpningar inom bärbar elektronik, transport och nätlagring. Dock, även om denna höga energitäthet skulle vara jämförbar med den för bensin, den praktiska energitätheten som kan uppnås är märkbart lägre och betydande forskningsutmaningar återstår att ta itu med.

Medan Gray arbetar med industriella partners för att förbättra batterierna som används i elbilar idag, Hon säger att universitetens roll är att tänka på helt nya typer av batterier, som de hon utvecklar i sitt labb.

"Universiteten måste komma med svar om tio till 15 år från nu – vi är de som har bäst förutsättningar att förnya, tänka kreativt och skapa radikala, nya lösningar, " säger hon. "Vi vill se till att vårt arbete har en inverkan långt utöver dagens batterier."

Förutom att utveckla helt nya typer av batterier, en viktig del av Greys forskning är upptäckten av fel. Som en del av hennes professur finansierad av Royal Society, Gray försöker hitta sätt att lokalisera fel i batterier innan de inträffar.

"Kan vi upptäcka indikatorer på fel i batterier innan de går fel? Om vi ​​kan hitta dem, då kan vi potentiellt förhindra batterier från att explodera. Dessutom, vi vill undersöka om ett bilbatteri som har nått slutet av sin livslängd kan få ett andra liv på nätet, till exempel. Om vi ​​kunde träna, i realtid, vad får batteriet att försämras, vi kan ändra hur vi använder batteriet, se till att den håller längre, " säger hon. "Ju mer vi vet om ett batteris hälsotillstånd, desto mer värdefullt blir batteriet. Båda strategierna – att öka batteritiden och hitta en andra användning – leder till billigare batterier."

Gray är också starkt engagerad i Faraday Institution, Storbritanniens oberoende nationella batteriforskningsinstitut, finansieras av regeringen genom dess industristrategi. Hon leder ett av fyra "snabbstart"-projekt, med nio andra universitet och tio industripartners, för att undersöka hur miljö- och interna batteripåfrestningar (som höga temperaturer, laddnings- och urladdningshastigheter) skadar elbilsbatterier över tid.

"När du tänker på andra elektroniska enheter, du tänker i allmänhet bara på ett material, som är kisel, " säger Dr Siân Dutton vid Cambridges Cavendish Laboratory vid Institutionen för fysik, och som också arbetar med projektet Faraday Institution. "Men batterier är mycket mer komplexa eftersom du har flera material att arbeta med, plus all förpackning, och du måste tänka på hur alla dessa komponenter interagerar med varandra och med vilken enhet du än sätter batteriet i."

Bland andra projekt, Duttons forskargrupp undersöker möjligheten till en batterielektrolyt som är fast istället för flytande. En av de primära säkerhetsproblemen med litiumjonbatterier är bildningen av dendriter – spinniga metallfibrer som gör att ett batteri kortsluter, kan orsaka att batteriet börjar brinna eller till och med explodera.

"Om elektrolyten är fast, dock, du kan fortfarande få dendriter, men batterierna är mycket mindre benägna att explodera, " säger hon. "Det är viktigt för universitet att titta på okonventionella batterimaterial som de vi undersöker. Om alla rör sig åt samma håll, vi kommer inte att få den verkliga förändringen vi behöver."

Utsikten till en elbil med en räckvidd på 1, 000 mil, eller en iPhone som laddas på två minuter, eller att kunna använda lagrad solenergi efter att solen gått ner, kan alla vara några år bort. Men, säger Grey:"Om vi ​​menar allvar med att byta till en koldioxidsnål ekonomi, vi måste fundera på hur vi ska lösa dessa problem nu. Vi fortsätter att driva på nya material och nya metoder eftersom, utan dem, forskningsområden stagnerar."