Futurologija 1.1: manje baterije, većeg kapaciteta su bliže nego ikad prije

Početkom godine u našoj seriji Futurologija pametnih telefona razgovarali smo o tehnologiji koja stoji iza baterije na pametnim telefonima i o tome šta nam donosi u budućnosti. Ovaj je članak brzo ažuriranje tog dijela, sagledavanje nekih nedavnih dostignuća baterija koje se temelje na litij-kemiji - poput onih koje napajaju većinu pametnih telefona.

Podrobnije ćemo pogledati što vremenom smanjuje trajanje baterije vašeg telefona i kako su tehnologije visokog kapaciteta poput litij-sumpornih baterija i litijumskih metalnih anoda bliže nego ikad postale praktične. Pridružite nam se nakon odmora.

: Najnoviji napredak u tehnologiji akumulatora

Zašto se kapacitet baterije smanjuje s vremenom

Kreditna slika: Zajednički centar za istraživanje skladištenja energije

Grupa pod vodstvom Zajedničkog centra za istraživanje skladištenja energije u SAD-u uspjela je prikupiti dokaze o procesima propadanja litijumskih baterija tijekom vremena , U svom originalnom članku spomenuo sam dendritičke (grananje poput drveta) na metalnim anodama litija tijekom vremena smanjujući kapacitet baterije.

Taloženje litija na Li-po elektrodi s vremenom

Zasluga: Zajednički centar za istraživanje skladištenja energije

Tim je razvio novu metodu pomoću STEM-a (skeniranje prijenosne elektronske mikroskopije - metoda za analizu nevjerojatno malih struktura) kako bi se ta depozita promatrala u litij-polimernoj bateriji tijekom vremena.

Anoda litijske baterije je ono što određuje ukupni kapacitet, a ti rastovi narušavaju koliko je učinkovita anoda u stanju pohraniti litijeve ione i tako smanjiti kapacitet baterije. Pokazano je i da ovi dendritični porasti litijevih metala mogu biti opasni i uzrokovati unutarnje kvarove koji dovode do puhanja balona ili, što je još gore, eksplozije , S ovim probojnim sposobnostima promatranja takvih procesa, tim je uspio odrediti čimbenike koji kontroliraju te izrasline koji će istraživačima na tom polju pomoći da poboljšaju dugovječnost i sigurnost komercijalnih litijumskih baterija.

Poboljšanja litij-sumpora

Kreditna slika: University of California

Došlo je do dramatičnog porasta broja objavljenih radova o tehnologiji litijevog sumpora, a kao što je ranije objašnjeno, tehnologija se smatra sljedećom ponovljenom tehnologijom litijumskih baterija, zamjenjujući široko usvojene ćelije litij-polimera. Za ponovni izračun:

Litij-sumpor izuzetno je atraktivna zamjena za trenutne tehnologije jer je jednako lagan za proizvodnju, veći kapacitet punjenja. Što je još bolje, ne zahtijevaju jako hlapljiva otapala koja drastično smanjuju rizik od požara od kratkih spojeva i proboja.

Više o litij-sumpornim i drugim budućim tehnologijama baterija

Nedavno je grupa sa Sveučilišta u Kaliforniji riješila jedno od pitanja koja se odnose na kemiju litij-sumpora i prošlog je mjeseca objavila članak o tome ,

Kako se rješavaju problemi s dugovječnošću Li-S baterija, tehnologija ide dalje prema praktičnoj stvarnosti.

Tijekom kemijskih reakcija koje se događaju u procesima punjenja i pražnjenja stvaraju se polisulfidni lanci. Ti lanci moraju teći kroz elektrolit netaknuti i tu leži problem, polisulfid se ponekad može otopiti u otopini i uvelike utječe na dugovječnost baterije.

Skupina je razvila metodu prevlačenja ovih polisulfida u nanosfere pomoću tankog sloja silicijevog dioksida (u osnovi stakla), koji polisulfid drži dalje od elektrolita, a istovremeno se lako može kretati kroz njega između elektroda. Problemi poput ovih koje stalno rješavaju brojne naporne istraživačke grupe, budućnost litij-sumpornih baterija nalazi se na rubu naših telefona svakim danom bliže.

Litij-metalne anode donose plod

Kreditna slika: SolidEnergy Systems

Ako se sjećate iz članka o futurologiji baterije, spomenuo sam kako je korištenje litijevog metala kao anode „sveti gral“ anodnih materijala zbog dodatnog kapaciteta koji donose.

SolidEnergy Systems Corp. pokazali su svoju "bezvodnu" litij bateriju, koja u biti zamjenjuje normalne grafitne i kompozitne anode tankom litij-metalnom anodom. Tvrde da udvostručuju energetsku gustoću u usporedbi s grafitnom anodom i 50% u odnosu na silicijum kompozitnu anodu.

Najnovije baterije bez anode tvrde da udvostručuju gustoću energije onoga što se trenutno nalazi u vašem telefonu.

Gornja slika koju je objavio SolidEnergy pomaže pokazati drastično smanjenje veličine, mada bih trebao spomenuti da je malo zabludu. I Xiaomi i Samsung baterije dizajnirani su tako da se zamjenjuju, tako da bi imali dodatnu plastičnu školjku i dodatnu elektroniku poput kruga za punjenje ili čak (kod nekih Samsungovih baterija) NFC antene.

Međutim, imajući to u vidu, možete vidjeti značajnu razliku u veličini između iPhone-ove 1.8 Ah unutarnje baterije i 2.0 Ah SolidEnergy paketa baterija u BBC-ovom vijesti.

Što sve to znači

S nekoliko vodećih proizvođača telefona - uključujući Samsungov Galaxy S6 i Appleov iPhone 6 - koji teže ka tanjim dizajnima, potreba za gušćim baterijama postaje sve veća. Utvrđivanjem veće snage baterije na manje područje otvara se i mogućnost dobivanja višednevnog korištenja većih mobilnih slušalica „phablet“, istovremeno pružajući više soka za buduće procesore koji gladni energije.

Gledamo budućnost u kojoj će biti lakše nego ikad izbjeći strašnu mrtvu bateriju pametnog telefona.

A kad su u pitanju litij-sumporne baterije, smanjeni rizik od požara od kratkog spoja ili probijanja trebao bi učiniti naše uređaje sigurnijima za upotrebu, a manje opasnima (i skupim) za proizvođače za prijevoz.

Kombinirajte to s nedavnim napretkom prema bržem punjenju i rastu bežičnog punjenja posljednjih godina, a mi gledamo u budućnost u kojoj će biti lakše nego ikad izbjeći mrtvu bateriju pametnog telefona.

Pa kad ćemo početi gledati kako nove tehnologije postaju dostupne? SolidEnergy procjenjuje da će njegovo "anodealno" rješenje stići na tržište 2016., a razmatramo i sličan raspored za Li-S baterije, s obzirom na nedavna dostignuća oko ove tehnologije. To ne znači da će isporučiti stvarne mobilne uređaje u sljedećoj godini - međutim, revolucija u tehnologiji baterija koju smo svi čekali ne može biti daleko.

Više Futurologija: Pročitajte o budućnosti pametnih tehnologija

Reference

1. BL Mehdi, J. Qian, E. Nasybulin, C. Park, DA Welch, R. Faller, H. Mehta, WA Henderson, W. Xu, CM Wang, JE Evans, J. Liu, JG Zhang, KT Mueller, i ND Browning, promatranje i kvantificiranje procesa nanočestica u litijevim baterijama Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): str. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu i Y. Cui, Međusobno povezane šuplje ugljikove nanosfere za stabilne litijeve metalne anode, Nat Nano, 2014. 9 (8): str. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan i M. Ozkan, sumporne čestice presvučene SiO2 s blago reduciranim grafenskim oksidom kao katodnim materijalom za litij-sumporne baterije, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng i Y. Cui, Nanostrukturne sumporne katode, Recenzije kemijskog društva, 2013. 42 (7): str. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao i Y. Cui, Razumijevanje uloge različitih provodivih polimera u poboljšanju djelovanja nanostrukturiranih katoda sumpora, Nano Letters, 2013. 13 (11): p, 5534-5540.