Batterier omvandlar lagrad kemisk energi till elektrisk energi. De är indelade i två huvudtyper primärbatterier som bara kan laddas en gång, ex våra vanliga batterier som används i leksaker, ficklampor och en mängd bärbara enheter. Den andra är laddningsbara batterier som blysyrabatterier i bilar och litiumjonbatterier som används för bärbar elektronik.
Ett batteri är vanligtvis tillverkade av en metall eller plasthölje, som innehåller en positiv anod, som ofta är en litiumbaserad (metalloxid) förening och en negativ katoden som är av poröst kol. Både anoden och katoden har en styv struktur med definierade hål, vilket möjliggör absorptionen av litiumjoner i hålen vid applicering av ström. Joner desorberar in i flytande elektrolytlösningen när det inte finns någon ström applicerad. En separator (ett ogenomträngligt polymer membran) skapar en barriär mellan anod och katod för att förhindra elektriska kortslutningar samtidigt som transport av Joniska laddningsbärare som behövs för att stänga kretsen under passagen av strömmen. Slutligen används en insamlare för att utföra laddningen utanför batteriet, via den anslutna enheten.
Lithium-Ion (Li-Ion) batterier är den vanligast förekommande batteritypern idag och används i mobiltelefoner och olika typer av datorer. De är energitäta, lätta och billiga men tekniken är bräcklig och en skyddskrets krävs för att garantera säkerheten.
Solid-state batterier har bytt ut den flytande litiumsaltlösningen i elektrolyten mot litiumsulfat eller andra fasta material. Fördelen med att använda fasta elektrolyter är att de tål långt högre temperaturer än flytande. Uppemot 60-120 grader är inga problem, medan flytande elektrolyt skulle koka bort och så småningom även börja brinna i sådana temperaturer. Därmed kan man framställa batterier med högre energitäthet, som kan laddas snabbare och leverera mer effekt, i och med att man behöver inte bekymra sig om att batterierna överhettas lika mycket längre. Därmed blir batterierna även säkrare, risken för batteribrand minskar avsevärt. Låga temperaturer innebär däremot ofta ett problem, litiumjonbatterier med flytande elektrolyt tål låga temperaturer bättre.
Största problemet med solid-state batterier är dock att få ordentlig kontakt mellan elektrolyten och anoden och katoden. När elektrolyten är flytande flyter vätskan inte bara fram till anod- och katodmaterialen utan till och med tränger in i dem, då är det lätt för litiumjonerna att komma i kontakt med elektrolyten och vandra mellan polerna.
En variant är som kan vara lösningen på problemet är Litiumjon polymer (Li-Ion polymer) batterier som är smalare än Li-Ion batterier. Där består elektrolyten av polymerer, plast. Polymerer är väldigt långa molekylkedjor av till exempel polyetylen-oxid som lättare kan tränga in i anod- och katodmaterialen och skapa bra kontakt med dem. I många batterier är polymererna geleaktiga, men det förekommer även batterier där de är i fast form. LiPo polymerbatterier med elektrolyt i geleform kan tvärtom till och med klara sig helt utan metallhölje vilket är bra ur viktsynpunkt.
Grafenbatterier
Nästa generations batteriteknik är grafen-baserade som erbjuder en förbättrad energitäthet med avsevärt längre drifttid snabbare laddning och kan stödja hundratals laddningscykler. Strukturen för grafenbatteri-teknik liknar den hos traditionella batterier, där två elektroder och en elektrolytlösning används för att underlätta jonöverföring. Det som skiljer mot traditionella batterier är i sammansättningen av en eller båda elektroderna som har någon form av grafen komposit. Kiselkarbon i anoderna och grafen-litiumjonhybridkemikalier i katoderna av litium-svavelceller har visat goda resultat.
Natrium-svavel storskalig energilaring
Natrium-svavel typ av batteri, eller en natrium / nickelklorid typ av batteri är en typ av batteri som har sitt urprung från 60 talet. Nya genombrott i batteriforsningen kan leda till billiga batterier som är lämpliga vid stora, fasta installationer där kostnaden är avgörande, men storlek och vikt är av mindre betydelse. Den här typen av batterier är baserade på elektroder gjorda av natrium och nickelklorid och med en ny typ av metallnätmembran, skulle kunna användas för nätverksinstallationer för att göra mellanlagra energi från kraftkällor som vind och sol och viss typ av produktion.
Den grundläggande batteriet är baserat på en flytande natrium elektrod material, som ursprungligen använde att skört keramik membran för att separera komponenterna. Nu har membranet ersatts med ett speciellt belagt metallnät, ett mycket starkare och mer flexibelt material kan användas i industriell miljö. Stålnätet som är belagt med en lösning av titanitrid kan utföra alla funktionerna som det tidigare känsliga keramiska membranet utförde. Resultaten kan möjliggöra en hel familj av billiga och hållbara material som är praktiska för storskaliga laddningsbara batterier.
Värmebatteri – saltbatteri
Solkraft kan fångas kan fånga både som el och värme. Ett värmebatteri bygger på det faktum att vissa oorganiska salter är hydrater som binder vatten i salt i en kemisk bindning. Saltvatten kokas vilket leder till att saltet och vattnet separeras från varandra. Ett torrt salt är det som återstår vilket är enkelt att hantera. Det kokande vattnet hamnar i ett separat åtskilt kärl. Vattnet kan återinföras på det torra saltet och då sker en kemisk reaktion och värmeenergi frigörs. Värmen har alltså lagrats i kemiska bindningar och släpps när man tillsätter vatten, det här sker med nästan inga energiförluster. Behållaren där vattnet har varit under separationen blir mycket kallt på grund av en utjämning av energibalansen.
Laddningen och laddningsprocessen av saltet sker i ett slutet vakuumsystem. Därför kan det upprepas nästan obegränsat antal gånger.
Moderna salthydrat värmebatterier har samma energitäthet som ett litiumjonbatteri eller en sjätte del av den energi som frigörs genom att bränna ett fat olja. Saltkristaller med grafennanoplater förbättrar värmeöverföringen och stoppar kristallerna från aggregering under uppvärmnings- och kylcyklerna.
Pappers batterier
Ett pappersbatteri som är återvinningsbart och biologiskt nedbrytbart. Nyckeln till flexibla biobatterier är bakterier. Papper är flexibelt, en bra isolator och absorberar och släpper ut vätskor enkelt. Med polymerer för att förbättra de elektriska egenskaperna. För att lagra energi i batteriet används bakterier. Papperet är grovt och poröst håller bakterierna fast och genererar sin egen energi genom att bryta ner nästan allt tillgängligt organiskt material, inklusive växtmaterial eller avloppsvatten. Det är den kemiska reaktionen som producerar elektroner. När bakterierna äter av molekyler som finns där, utvinner de elektroner ur molekylerna, och förflyttar dem sedan till utsidan av sina celler. Där samlas elektronerna upp och kan sedan användas som energi. Normalt i en bakteriell reaktion, skulle elektroner bindas med syre men genom att konstruera batteriet som begränsar syre och ersätta en elektrod, gör att man kan fånga elektronflödet och använda det för strömförsörjningsenheter.
Bakteriecellerna är tätt förbundna med pappersfibrerna, de bildar en flerskiktsfilm som skyddar den kemiska reaktionen från syre. Batteri kan bionedbrytas. Bakterierna i själva batteriet kan bryta ner papperet och polymererna i ofarliga komponenter. Polymerpappersstrukturerna är lätta, billiga och flexibla. Den flexibiliteten möjliggör också att batterierna kan vikas som en vanlig pappersbit eller staplas ovanpå varandra. Det låter mer batterier passa in i mindre utrymmen.
Papertronics kan vara särskilt användbart i avlägsna områden med begränsade resurser eftersom de drivs av bakterier som kan bevara även de mest extrema förhållandena och bryta ner nästan vilket material som helst för att producera elektroner. De behöver inte heller ett etablerat elnät. Dessutom, även om pappersbatterier är konstruerade för att vara disponibla efter användning, är deras material återvinningsbara – och nya batterier kan skapas från returpapper.
Pappersbatteriet kan användas för smarta förpackningar som kräver små hållbara strömkällor, även inon framtida elektroniska enheter.
Batterierna är ganska enkla att tillverka, polymererna och bakterierna kan blandas med papper i traditionella tillverkningsprocesser, inklusive roll-to-roll-utskrift och skärmtryck – eller till och med målas eller hällas direkt på papper.