Mobiltelefonbatterien mit einer bis zu dreimal längeren Lebensdauer als die heutige Technologie könnten dank einer von Ingenieuren der RMIT University geleiteten Innovation Realität werden.
Anstatt Batterien nach zwei oder drei Jahren zu entsorgen, könnten wir recycelbare Batterien haben, die bis zu neun Jahre halten, sagt das Team, indem hochfrequente Schallwellen verwendet werden, um Rost zu entfernen, der die Batterieleistung beeinträchtigt.
Die Forschung ist veröffentlicht in Naturkommunikation.
Nur 10 % der gebrauchten Handheld-Akkus, auch für Mobiltelefone, werden in Australien zum Recycling gesammelt, was im internationalen Vergleich wenig ist. Die restlichen 90 % der Batterien landen auf der Deponie oder werden falsch entsorgt, was der Umwelt erhebliche Schäden zufügt.
Die hohen Kosten für das Recycling von Lithium und anderen Materialien aus Batterien sind ein großes Hindernis für die Wiederverwendung dieser Artikel, aber die Innovation des Teams könnte dazu beitragen, diese Herausforderung anzugehen.
Das Team arbeitet mit einem Nanomaterial namens MXene, einer Materialklasse, von der sie sagen, dass sie in Zukunft eine aufregende Alternative zu Lithium für Batterien sein wird.
Leslie Yeo, Distinguished Professor of Chemical Engineering an der School of Engineering des RMIT und Lead Senior Researcher, sagte, MXen sei ähnlich wie Graphen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit.
„Im Gegensatz zu Graphen sind MXene hochgradig anpassbar und eröffnen eine ganze Reihe möglicher technologischer Anwendungen in der Zukunft“, sagte Yeo.
Die große Herausforderung bei der Verwendung von MXene bestand darin, dass es leicht rostete, wodurch die elektrische Leitfähigkeit gehemmt und es unbrauchbar wurde, sagte er und fügte hinzu: „Um diese Herausforderung zu überwinden, haben wir entdeckt, dass Schallwellen bei einer bestimmten Frequenz Rost von MXene entfernen und es wieder vollständig herstellen in seinen ursprünglichen Zustand.“
Die Innovation des Teams könnte eines Tages dazu beitragen, MXene-Batterien alle paar Jahre zu revitalisieren und ihre Lebensdauer bis zu dreimal zu verlängern, sagte er.
„Die Fähigkeit, die Haltbarkeit von MXene zu verlängern, ist entscheidend, um sicherzustellen, dass es für kommerziell brauchbare elektronische Teile verwendet werden kann“, sagte Yeo.
Wie die Innovation funktioniert
Co-Hauptautor Hossein Alijani, ein Ph.D. Kandidat von der School of Engineering des RMIT, sagte, die größte Herausforderung bei der Verwendung von MXene sei der Rost, der sich in einer feuchten Umgebung oder in wässrigen Lösungen auf seiner Oberfläche bildet.
„Oberflächenoxid, also Rost, ist schwer zu entfernen, besonders auf diesem Material, das viel, viel dünner als ein menschliches Haar ist“, sagte Alijani. „Gegenwärtige Methoden zur Reduzierung der Oxidation beruhen auf der chemischen Beschichtung des Materials, was die Verwendung von MXene in seiner nativen Form einschränkt. In dieser Arbeit zeigen wir, dass es entfernt wird, wenn ein oxidierter MXene-Film hochfrequenten Vibrationen ausgesetzt wird der Rost auf dem Film. Dieses einfache Verfahren ermöglicht die Wiederherstellung seiner elektrischen und elektrochemischen Leistung.“
Die möglichen Anwendungen der Arbeit des Teams
Das Team sagt, dass ihre Arbeit zur Entfernung von Rost von Mxene die Tür für den Einsatz des Nanomaterials in einer Vielzahl von Anwendungen in der Energiespeicherung, Sensoren, drahtlosen Übertragung und Umweltsanierung öffnet.
Associate Professor Amgad Rezk von der School of Engineering des RMIT, einer der führenden Senior-Forscher, sagte, dass die Fähigkeit, oxidierte Materialien schnell in einen nahezu unberührten Zustand zu versetzen, einen Wendepunkt in Bezug auf die Kreislaufwirtschaft darstelle.
„Materialien, die in der Elektronik verwendet werden, einschließlich Batterien, verschlechtern sich im Allgemeinen nach zwei oder drei Jahren Gebrauch aufgrund von Rostbildung“, sagte Rezk. „Mit unserem Verfahren können wir die Lebensdauer von Batteriekomponenten potenziell um das bis zu Dreifache verlängern.“
Obwohl die Innovation vielversprechend ist, muss das Team mit der Industrie zusammenarbeiten, um sein Akustikgerät in bestehende Fertigungssysteme und -prozesse zu integrieren. Das Team erforscht auch die Verwendung ihrer Erfindung, um Oxidschichten von anderen Materialien für Anwendungen in der Sensorik und erneuerbaren Energien zu entfernen.
„Wir sind sehr daran interessiert, mit Industriepartnern zusammenzuarbeiten, damit unsere Methode zur Rostentfernung erweitert werden kann“, sagte Yeo.
Mehr Informationen:
Heba Ahmed et al, Recovery of oxidized two-dimensional MXenes through high frequency nanoscale electromechanical vibration, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-022-34699-3