Det er et paradoks, men på trods af den enorme sti, som elektronik har gjort i løbet af de sidste 30 år, er alle mobile enheder stadig udstyret med lithium-ion-batterier, der kom ind på markedet allerede i 1991, da den sædvanlige CD-afspiller var toppen af teknik inden for bærbar teknologi.
Mange nyttige egenskaber ved nye sampler inden for elektronik og gadgets nivelleres af den knappe strømforsyningstid for disse enheder fra et mobilbatteri. Videnskabelige sæbe og opfindere ville have trådt frem for længe siden, men de holdes ved batteriets "anker".
Lad os se på, hvilke teknologier der kan transformere elektronikverdenen i fremtiden.
Først lidt historie
Oftest bruges lithium-ion (Li-ion) -batterier i mobile enheder (laptops, mobiltelefoner, PDA'er og andre). Dette skyldes deres fordele i forhold til de tidligere udbredte nikkel-metalhydrid (Ni-MH) og nikkel-cadmium (Ni-Cd) batterier.
Li-ion-batterier har meget bedre parametre. Det skal dog huskes, at Ni-Cd-batterier har en vigtig fordel: muligheden for at tilvejebringe høje udladningsstrømme. Denne egenskab er ikke kritisk vigtig, når man tænker bærbare computere eller mobiltelefoner (hvor andelen af Li-ion når 80% og deres andel bliver mere og mere), men der er ganske mange enheder, der forbruger høje strømme, f.eks. Alle slags elværktøj, elektriske barbermaskiner osv. P. Indtil nu har disse enheder næsten udelukkende været domænet for Ni-Cd-batterier. På nuværende tidspunkt, især i forbindelse med begrænsningen af brugen af cadmium i overensstemmelse med RoHS-direktivet, er forskningen om oprettelse af cadmiumfrie batterier med en høj afladningsstrøm imidlertid intensiveret.
Salgsfremmende video:
Primære celler ("batterier") med en lithiumanode optrådte i de tidlige 70'ere af det 20. århundrede og fandt hurtigt anvendelse på grund af deres høje specifikke energi og andre fordele. Således blev det langvarige ønske om at skabe en kemisk strømkilde med det mest aktive reduktionsmiddel, et alkalimetal, realiseret, hvilket gjorde det muligt dramatisk at øge batteriets driftsspænding og dets specifikke energi. Hvis udviklingen af primære celler med en lithiumanode blev kronet med relativt hurtig succes, og sådanne celler fast indtog deres plads som strømkilder til bærbart udstyr, løb skabelsen af lithiumbatterier ind i grundlæggende vanskeligheder, som det tog mere end 20 år at overvinde.
Efter en masse testning gennem 1980'erne viste det sig, at problemet med litiumbatterier er snoet omkring lithiumelektroder. Mere præcist omkring lithiumaktiviteten: de processer, der fandt sted under drift, til sidst førte til en voldsom reaktion, kaldet "ventilation med udsendelse af en flamme." I 1991 blev et stort antal lithiumbatterier tilbagekaldt til produktionsanlæggene, der blev brugt for første gang som strømkilde til mobiltelefoner. Årsagen - under en samtale, når det aktuelle forbrug er maksimalt, blev der udsendt en flamme fra batteriet, der brændte mobiltelefonbrugerens ansigt.
På grund af ustabiliteten i metallisk lithium, især under opladning, er forskningen flyttet til området med at skabe et batteri uden brug af Li, men ved at bruge dets ioner. Selvom lithium-ion-batterier giver en marginalt lavere energitæthed end lithium-batterier, er Li-ion-batterier sikre, når de er forsynet med de rigtige opladnings- og afladningsbetingelser. De er dog ikke immun mod eksplosioner.
Også i denne retning, mens alt prøver at udvikle sig og ikke stå stille. For eksempel har videnskabsfolk fra Nanyang Technological University (Singapore) udviklet en ny type lithium-ion-batteri, der har rekordstor ydeevne. Først oplades det på 2 minutter til 70% af sin maksimale kapacitet. For det andet har batteriet arbejdet næsten uden forringelse i mere end 20 år.
Hvad kan vi forvente næste gang?
Natrium
Ifølge mange forskere er det dette alkalimetal, der skal erstatte det dyre og sjældne lithium, der desuden er kemisk aktivt og brandfarligt. Princippet om drift af natriumbatterier ligner det for lithium - de bruger metalioner til at overføre ladning.
I årevis har forskere fra forskellige laboratorier og institutter kæmpet med ulemperne med natriumteknologi, såsom langsom opladning og lave strømme. Nogle af dem formåede at løse problemet. For eksempel oplades præproduktionsprøver af BroadBit-batterier på fem minutter og har en og en halv til to gange kapaciteten. Efter at have modtaget flere priser i Europa, såsom Innovation Radar Prize, Eureka Innovest Award og en række andre, gik virksomheden videre til certificering, fabriksbygning og opnåelse af patenter.
Graphene
Graphene er en flad krystalgitter af carbonatomer, der er et atom tyk. Takket være det enorme overfladeareal i et kompakt volumen, der er i stand til at opbevare ladning, er grafen en ideel løsning til at skabe kompakte superkapacitorer.
Der er allerede eksperimentelle modeller med en kapacitet på op til 10.000 farader! En sådan superkapacitor blev skabt af Sunvault Energy i samarbejde med Edison Power. Udviklerne hævder, at de i fremtiden vil præsentere en model, hvis energi vil være nok til at drive hele huset.
Sådanne superkapsler har mange fordele: muligheden for en næsten øjeblikkelig opladning, miljøvenlighed, sikkerhed, kompakthed og også lave omkostninger. Takket være den nye teknologi til fremstilling af grafen, der ligner udskrivning på en 3D-printer, lover Sunvault prisen på batterier næsten ti gange mindre end lithium-ion-teknologierne. Imidlertid er industriel produktion stadig langt væk.
Sanvault har også konkurrenter. En gruppe forskere fra University of Swinburn, Australien, præsenterede også en grafen-superkapacitor, som har en kapacitet, der kan sammenlignes med lithium-ion-batterier. Det kan oplades på få sekunder. Derudover er den fleksibel, hvilket gør det muligt at bruge det i enheder med forskellige formfaktorer og endda i smart tøj.
Atomiske batterier
Atombatterier er stadig meget dyre. I den nærmeste fremtid vil de ikke være i stand til at konkurrere med de velkendte lithium-ion-batterier, men vi kan ikke undlade at nævne dem, fordi kilder, der kontinuerligt har genereret energi i 50 år, er meget mere interessante end genopladelige batterier.
Deres driftsprincip på en måde ligner driften af solceller, kun i stedet for solen, er energikilden i dem isotoper med beta-stråling, der derefter absorberes af halvlederelementer.
I modsætning til gammastråling er beta-stråling praktisk talt ufarlig. Det er en strøm af ladede partikler og er let afskærmet af tynde lag med specielle materialer. Det absorberes også aktivt i luften.
I dag udføres udviklingen af sådanne batterier i mange institutter. I Rusland annoncerede NUST MISIS, MIPT og NPO Luch deres fælles arbejde i denne retning. Tidligere blev et lignende projekt lanceret af Tomsk Polytechnic University. I begge projekter er hovedstoffet nikkel-63, opnået ved neutronbestråling af nikkel-62-isotopen i en atomreaktor med yderligere radiokemisk forarbejdning og adskillelse i gascentrifuger. Den første prototype af batteriet skulle være klar i 2017.
Imidlertid er disse beta-voltaiske strømforsyninger lav strøm og ekstremt dyre. I tilfælde af en russisk udvikling kan de anslåede omkostninger ved en miniatyr strømkilde være op til 4,5 millioner rubler.
Atomkraftforsyning baseret på tritium NanoTritium fra City Labs.
Nikkel-63 har også konkurrenter. F.eks. Har University of Missouri eksperimenteret med strontium-90 i lang tid, og mini-beta-voltaiske batterier baseret på tritium kan findes kommercielt. Til en pris i størrelsesordenen tusind dollars er de i stand til at drive forskellige pacemakere, sensorer eller kompensere for selvudladning af lithium-ion-batterier.
Lysende nøglering med tritium.
Eksperter er rolige for nu
På trods af tilgangen til masseproduktion af de første natriumbatterier og aktivt arbejde med grafen-strømforsyninger, forudsiger industrieksperter ikke nogen revolution i de næste par år.
Virksomheden Liteko, der opererer under Rusnanos fløj og producerer lithium-ion-batterier i Rusland, mener, at der endnu ikke er nogen grunde til en afmatning i markedsvæksten.”Den konstante efterspørgsel efter lithium-ion-batterier skyldes primært deres høje specifikke energi (opbevaret pr. Masse- eller volumenhed). I henhold til denne parameter har de ingen konkurrenter blandt de genopladelige kemiske kraftkilder, der er produceret i serie i øjeblikket,”kommenterer virksomheden.
I tilfælde af kommerciel succes med de samme BroadBit-natriumbatterier kan markedet imidlertid omformateres i løbet af få år. Medmindre ejere og aktionærer ønsker at tjene en masse penge på den nye teknologi.
