Forskare kan ha en förklaring till varför vissa batterier inte varar.

Uppladdningsbara litiumjonbatterier håller inte för evigt. Över tiden håller de mindre laddning, och förvandlas till slut från strömkällor till tegelstenar. Enligt ny forskning är en anledning: dold, läckande väte. Oönskade väteprotoner fyller molekylära platser i den positiva änden av batteriet, vilket gör mindre utrymme för laddade litiumatomer eller joner, som upprätthåller reaktivitet och hjälper till att leda laddning, rapporterar forskare den 12 september i Science. 

Den nya forskningen identifierar en uppsättning oönskade kemiska reaktioner som utvecklas när batteriets elektrolyt, som är avsett att transportera litiumjoner, oavsiktligt släpper ut väte i den positiva änden, eller katoden. Detta "utlöser alla typer av problem" och minskar kapaciteten och livslängden för batteriet, säger Gang Wan, en materialfysiker och kemist vid Stanford University. 

"Även om du inte använder batteriet, förlorar det energi." I ett litiumjonbatteri (illustrerat nedan) lagrar två elektroder av motsatt laddning, en anod och en katod, litiumjoner. Jonerna förflyttar sig från anoden till katoden i en elektrolyt, vilket skapar kemiska reaktioner som frigör elektroner för att bygga en laddning. 

Elektrolyten är avsedd att endast förflytta litiumjoner, men väteprotoner och elektroner lossnar från molekyler i elektrolyten och läcker in i de yttre skikten av katoden, vilket utlöser en kaskad av oönskade reaktioner som minskar batteriets livslängd. Tidigare förklaringar av energiförlust i batterier har fokuserat på rörelsen av litiumjoner. Vissa forskare har föreslagit att väteatomer också kan spela en roll, men det har varit svårt att observera eftersom väte är så smått och allmänt förekommande. Så, Wan och hans kollegor bytte ut väte i elektrolyten för cellstorleksbatterier mot deuterium, en tyngre variant av väte. 

Forskarna spårade sedan deuteriumens rörelse med kraftfull röntgenavbildning och masspektrometri. Med hjälp av resultaten och teoretiska beräkningar visade teamet att väte är den "dominerande" aktören i katodens laddningsförlust. Forskningen stärker vår kunskap om den ogenomskinliga kemin som utspelar sig inuti batterier, vilket gör den "verkligen betydelsefull", säger Bart Bartlett, en material-och oorganisk kemist vid University of Michigan i Ann Arbor som inte var inblandad i studien. 

Den antyder möjliga vägar för förbättrad batterilivslängd, såsom att justera batterikemin för att undvika vätereaktioner. 

Dessutom belyser arbetet ett outtalat problem i den pågående strävan efter allt högre spänningsbatterier, eftersom ingenjörer strävar efter att lagra mer energi i mindre celler. Högre spänningskatoder är mer reaktiva och mer benägna att dra in väte, så ju högre batterispänning, desto mer sker denna "protonering" eller "vätning". "Det är en avvägning som jag inte tror att vi helt uppskattade att vi gjorde, eller förstod varför", säger Bartlett. Men, säger han, bedömde forskarna bara en typ av batteri och scenario. Mer forskning behövs för att förstå hur brett resultaten gäller. 

Om teamets iakttagelser visar sig vara reproducerbara, kommer de antagligen att leda till bättre, längre hållbara batterier som påskyndar innovationer som längre elbilar, säger Jacqueline Edge, en batteriforskare och ingenjör vid Imperial College London. Samtidigt skulle framsteg inom batterilivslängd minimera vårt behov av att bryta de mineraler som används i battericeller som kobolt och självklart litium, vilket medför negativa miljö- och sociala konsekvenser. 

Det skulle kunna vara en dubbel hållbarhetsseger, säger hon.