Napredak baterije možda se neće kretati tako brzo kao onaj za računalne čipove, gdje 50-godišnji princip poznat kao Mooreov zakon kaže da se broj tranzistora udvostručuje na čipu otprilike svake dvije godine. Ali primjenjuju se slični principi koji mogu sniziti troškove i poboljšati rad baterija unutar svakog telefona, prijenosnog računala i električnog vozila.

I za obje tehnologije postoji sličan problem jer na kraju sama struktura materije kaže da su računalni čipovi i baterije otišli onoliko koliko mogu u svom trenutnom obliku.

"U nekom ćete se trenutku srušiti protiv temeljnih ograničenja i tada morate prijeći na nove materijale", objašnjava baterijski istraživač Venkat Srinivasan, čija grupa u Zajedničkom centru za istraživanje skladištenja energije u Nacionalnoj laboratoriji Argonne istražuje ne samo načini za proširenje litij-ionske baterije, već i ono što Srinivasan naziva "skokovi". To su potpuno nove apoteke za skladištenje energije koje bi mogle biti u stanju pomaknuti baterije godinama unaprijed.

Jedna od obećavajućih mogućnosti za poboljšanje postojeće litij-ionske baterije je ona koja je poznata kao solid-state baterija. Trenutačni dizajn punjivih baterija mješavina je čvrstih i tekućih komponenti: Postoje čvrsta anoda i katoda, čvrsti separator koji će ih razdvojiti i tekući elektrolit kroz koji se kreću litijevi ioni.

Glavni nedostatak ovog dizajna je taj da unutarnja struktura može biti hlapljiva, što je ilustrirao slučaj eksplodirajuće Galaxy Note 7 ranije ove godine. Iako je taj specifični slučaj uzrokovan proizvodnom greškom, tekući elektrolit je temeljni razlog svih eksplozivnih reakcija u litij-ionskim baterijama.

„Tekući elektrolit je problem jer ako postane previše vruć, zapaljen je“, kaže Greg Less, stariji direktor Laboratorija sveučilišta u Michiganu. "U krupnom akumulatoru, anoda, katoda, separator i elektrolit su ista stvar i oni su čvrsti. To smanjuje zapaljivost elektrolita na nulu, a omogućava i tehnologije veće energije poput litij-metalne anode. "

Trenutno litij-ionske baterije koriste grafit kao materijal za njihovu anodu, koji je zajedno s katodom jedna od dvije elektrode između kojih struja teče. Gustina energije grafita je dobra, omogućavajući anodi da drži litij-ion za svakih šest grafitovih ugljikovih atoma. "Ako ste otišli ukloniti taj grafit i staviti metal u litij, možete ga udvostručiti u jednom potezu", kaže Srinivasan.

No, radikalniji odmak od tradicionalne litij-ionske baterije mogao bi imati još veći učinak. "Ako ste koristili nešto poput litij-sumpora, vjerovatno možete udvostručiti taj broj. Postoje značajne prednosti kod izrade ovih novih materijala “, kaže Srinivasan.

Litij-sumporna baterija ima sumpornu katodu i litij-anodu. Sumpor je intrigantan jer ima tako veću energetsku gustoću nego što je to moguće u trenutnim baterijama, a obilna opskrba sumporom u svijetu znači da baterije koje koriste mogu biti jeftine za proizvodnju.

Ali postoji jedan manji problem: sumpor ne provodi električnu struju. Zato trenutni dizajni obično zahtijevaju prevlaku od ugljika kako bi se omogućilo kretanje litijevih iona.

Takav popravak nije dovoljan da u potpunosti riješi problem vodljivosti, a to je bila velika prepreka u komercijalizaciji litij-sumpornih i čvrsto-stanja litij-ionskih baterija. "Od naših baterija očekujemo određeno djelovanje, a takav rad ovisi o brzini kretanja iona", kaže Less.

Visoka gustoća energije čvrstog stanja akumulatora mogla bi dodati stotine kilometara rasponu električnih vozila, ali tek su nedavno istraživači počeli koračati prema problemu vodljivosti.

"Nitko ne želi kompromitirati performanse svog električnog vozila sve dok ionska vodljivost krute tvari nije mnogo, mnogo veća", kaže Less. "Inženjering mora započeti i shvatiti kako mogu biti komercijalno izvedive izvedbe."

Druga je mogućnost napustiti litij kao primarni materijal u punjivim baterijama. Što ako se jednostavno pomakne niz niz periodične tablice, od elementa broj tri, litija, do elementa broja 11, natrija?

"Ljepota natrijevog iona je u tome što je natrij posvuda", kaže Less. "Jeftino je. Ne moramo ići na udaljene lokacije da bi ga minirali poput litija. Jednostavno ga možemo izvući iz slane vode. "

Kao i kod sumpora, obilje natrija učinilo bi ga mnogo jeftinijom alternativom našim trenutnim baterijama, pod pretpostavkom da može odgovarati performansama. Ali natrijeve ionske baterije dijele kemijsku isparljivost svojih kolega koji se temelje na litijumu, što znači da bi početno ohrabrujuće performanse mogle brzo propasti.

Iako ni to nije nemoguć problem. Litij-ionske baterije suočene su sa sličnim problemima kao što su prvi put razvijeni prije desetljeća. Ali to rješavanje zahtijeva mnogo finije izraženo razumijevanje mikrostrukture akumulatora nego dosad.

Neka od najnaprednijih istraživanja baterija događaju se u Brookhaven Nacionalnom laboratoriju na Long Islandu. Tamo su fizičar Jun Wang i njezin tim koristili ultra sjajne rendgenske zrake za ispitivanje unutarnje strukture dizajna natrij-ionskih baterija.

Budući da natrij ima veći atomski radijus od litija, jedna briga je da bi konstantno kretanje natrijevih iona stvorilo ozbiljnije nepravilnosti unutar elektroda. Ali Wang-ovo djelo je pokazalo da to nije slučaj. Nakon početnog ciklusa punjenja i pražnjenja, cijela je građevina uspjela doći do ravnoteže.

"Taj rezultat mogao bi značiti revoluciju u istraživanju baterija", kaže Wang, "s utjecajem na razvoj jeftinih, učinkovitih baterija natrijevih iona. Taj rezultat obećava natrijevo-ionske baterije. " Međutim, naglašava da je sigurnost najvažnije pitanje svake komercijalizacije natrijeve ionske baterije, baš kao što je to slučaj sa litij-ionom.

Što ako ne bismo samo pomaknuli niz ili niz niz periodične tablice, nego i preko stupca? Budući da atom litija ili natrija ima samo jedan rezervni elektron u svojoj najudaljenijoj ljusci, gubitak tog elektrona za stvaranje iona daje mu naboj +1. Ali elementi poput magnezija i kalcija imaju dva elektrona u vanjskoj ljusci, što znači da bi njihovi ioni imali naboj +2.

"Kada udvostručite naboj, u biti udvostručujete količinu punjenja po masi po volumenu", kaže Srinivasan. "Puno je dalje. Ali cijela poanta je da ako to uspijete dogoditi, to je lešina. "

Mnogo pitanja treba riješiti prije nego što se postigne ozbiljan napredak na baterijama na bazi magnezija ili kalcija. Čak ni osnovna strukturalna pitanja ostaju bez odgovora, poput materijala s katodom koji može sadržavati magnezij ili kakav elektrolit koristi takva baterija. No, naravno, pioniri litij-ionske baterije prije 30 godina morali su odgovarati na ista pitanja.

"U nekim je osjećajima to prirodna evolucija", kaže Srinivasan. "Neće nam trebati istih 30 godina, jer smo toliko naučili o tome kako pronaći materijale i zašto oni propadaju. Samo moramo proći kroz tu evoluciju. "

I vrijedno je imati na umu da litij-ionske baterije nisu sve-na kraju za skladištenje energije, niti njihovi potencijalni nasljednici moraju riješiti svaki problem da bude koristan. Da bi to ilustrirao, Less je istaknuo da bi automobilske tvrtke mogle koristiti litij-ionsku bateriju kao početnu bateriju za redovne, neelektrične automobile. Pa zašto ne bi i oni?

"Za većinu nas koji se ne utrkuje na Indy 500, gdje se računa svaka unca, olovna kiselina je u redu", kaže Less. "Ne treba nam da je manji i lakši. Treba nam samo da pouzdano prebacimo starter kada okrenemo ključ. " Slično tome, daljinski upravljači ne trebaju litij-ionske baterije, kaže Less: „Ne sjećam se kad sam zadnji put promijenio AA na našem daljinskom. To je dobro rješenje. "

Litij-ionske baterije nedavno su bile revolucionarne jer su male i lagane, a snaga će trajati stotine, čak i tisuće ciklusa. Oni nisu rješenje za svaki problem, ali napravili su telefone, prijenosna računala i električna vozila, koliko ih sada znamo.

Ako želimo otkriti kako izgleda budućnost svih tih uređaja, trebat će nam baterije koje mogu otključati. Ako litij-ion više nije odgovor, možda će to biti jedna od tih novih tehnologija baterija.