Futurologie smartphonů: Věda o baterii vašeho dalšího telefonu

Vítejte ve futurologii chytrých telefonů. V této nové sérii vědeckých článků Mobilní národy hostující přispěvatel (a všude kolem dobrý člověk) Shen Ye prochází současnými technologiemi používanými v našich telefonech a také špičkovými věcmi, které se v laboratoři stále vyvíjejí. Před námi je docela dost vědy, protože mnoho budoucích diskusí je založeno na vědeckých papíry s obrovským množstvím technického žargonu, ale snažili jsme se, aby věci byly jednoduché a jednoduché možný. Takže pokud se chcete ponořit hlouběji do toho, jak fungují vnitřnosti vašeho telefonu, toto je řada pro vás.

Vzhledem k tomu, že rok 2014 nyní mizí v paměti a na obzoru je nová generace vlajkových telefonů, je čas podívat se dopředu a podívat se, co bychom mohli vidět v chytrých telefonech budoucnosti. Zahájíme sérii současných i budoucích technologií baterií spolu s několika tipy, které vám pomohou zlepšit životnost baterií ve vašich zařízeních. Výkon baterie - jak v životnosti, tak v nabíjení - je jednou z oblastí mobilní technologie, ve které stále existuje spousta prostoru pro zlepšení a při vývoji existuje spousta různých technologií, jejichž cílem je právě to že. Čtěte dále a dozvíte se více.

O autorovi

Shen Ye je vývojář pro Android a absolvent MSci v oboru chemie na univerzitě v Bristolu. Chyťte ho na Twitteru @shen a Google+ + ShenYe.

Úvod do lithiových baterií

Technologie dobíjecích baterií se neustále zdokonalují, aby držely krok s velkými pokrok ve výkonu přenosné elektroniky, což z něj činí velmi prozkoumávané téma v EU vědecká komunita. Velká většina baterií v přenosné elektronice používá chemii na bázi lithia, nejběžnější je lithium-iontová (Li-ion) a lithium-polymerová (Li-po). Na konci 20. století nahradily lithium-iontové baterie použití dobíjecích nikl-kadmiových baterií (Ni-Cad)¹ s drasticky vyššími kapacitami a snížením hmotnosti. Li-ion baterie se obecně vyrábějí hromadně jako knoflíkové články nebo jako dlouhé kovové válce (podobný tvar a velikost jako baterie AA), které jsou naskládány a vloženy do baterií, jako je ta ve vašem telefon. Toto balení však poskytuje neefektivně nízký poměr baterie k objemu. Baterie Li-po byly zavedeny o několik let později za použití stejné chemie, ale v tomto případě je kapalné rozpouštědlo nahrazeno a pevný polymerový kompozit a samotná baterie je místo pevného kovového pouzdra obalena v plastové laminaci, což jí dává o něco více flex.

Většina lithiových baterií pracuje na chemickém procesu, při kterém se lithiové ionty (Li +) pohybují od anody (kladné elektroda) ke katodě (záporná elektroda) roztokem elektrolytu a uvolňuje elektřinu do obvod. (A tím napájí váš telefon nebo tablet.) Během nabíjení je proces obrácen a ionty Li + jsou absorbovány anodou. Kapacita baterie je v podstatě dána počtem iontů Li +, které může anoda absorbovat. Téměř všechny moderní lithiové baterie pro spotřebitele mají anody vyrobené z grafitu s vysoce pravidelným povrchem pro maximální absorpci.

Schéma ukazuje, jak se lithium-iontová baterie vybíjí a napájí váš telefon.

Lithiové baterie se však časem degradují a tento proces se zrychluje při vyšších teplotách, zejména díky zvýšení okolní teploty způsobenému nabíjením. (Nemluvě o tom vlastně použitím zařízení, které také generuje teplo.) Je to jeden z důvodů, proč je výhodné používat nízký proudová nabíječka pro noční nabíjení, protože rychlejší nabíjení způsobí větší nárůst baterie teplota.

Lithiové baterie se časem degradují a tento proces se zrychluje při vyšších teplotách.

Tento proces stárnutí je způsoben chemickými a strukturálními změnami elektrod, z nichž jedním je pohyb iontů Li +, který může v průběhu času poškodit vysoce uspořádaný povrch elektrod. V průběhu času mohou lithiové soli, které tvoří elektrolyt, krystalizovat na elektrodách, což může ucpat póry a zabránit absorpci iontů Li +. Degradace baterií se běžně označuje jako „coulombická účinnost“ popisující poměr počtu elektronů extrahovaných z anody na počet elektronů, které mohou být vloženy během nabíjení. Obvykle musí mít baterie coulombickou účinnost přes 99,9%, aby byla komerčně životaschopná.

Hlavním problémem u Li-ion a Li-po baterií je riziko požáru při přetížení, přehřátí, zkratu nebo defektu. Nabíjecí obvody v přenosných zařízeních jsou navrženy tak, aby zabránily prvním třem efektům, ale pokud selžou, může to být extrémně nebezpečné² protože to může způsobit hromadění tepla, které nakonec spustí tepelný únik. (Přemýšlejte „boom!“) Poruchy jsou vzácné, protože baterie mají tendenci být zabaleny uvnitř zařízení, která napájejí, ale představují také potenciální nebezpečí³. Někdy přehlíženým faktorem je ventilace. K odvádění tepla generovaného baterií je zapotřebí ventilace a může také zabránit hromadění hořlavých rozpouštědel, pokud by došlo k jejich úniku, čímž se snižuje riziko výbuchu.

Budoucí vylepšení

Co dál s lithiovými bateriemi? Vyšší kapacity, delší životnost, lepší bezpečnost a rychlejší nabíjení.

Nejvýznamnější tři vylepšení, která výzkumníci hledají, jsou vyšší hustoty energie, delší životnost, lepší bezpečnost a rychlejší nabíjení. Se současnou technologií Li-po zlepšuje vylepšení anodového materiálu kapacitu i životnost baterie, vyšší rychlost absorpce zlepšit rychlost nabíjení, větší počet lithium-iontových míst zvýšit kapacitu a odolnější anodový materiál může prodloužit životnost baterie životnost. Dalšími zkoumanými oblastmi jsou elektrolyt mezi elektrodami a snížení výrobních nákladů jednotlivých komponent.

Nehořlavé komponenty

Obrazový kredit: NTSB

Vědci aktivně hledají způsoby, jak zvýšit bezpečnost lithiových baterií. Jedním z posledních incidentů, který si získal velkou publicitu, je požár, který uzemnil Boeing 787, o kterém bylo zjištěno, že je způsoben lithium-polymerovou baterií letadla. Začátkem tohoto roku University of North Carolina oznámila, že objevila náhradu za vysoce hořlavá organická rozpouštědla běžně používaná v lithiových bateriích, nazývaná perfluorpolyether (PFPE)⁴. Oleje PFPE byly široce používaným průmyslovým mazivem, ale skupina zjistila, že se v nich mohou rozpustit lithné soli. Skupina si myslí, že PFPE může ve skutečnosti rozpouštět lithiové soli lépe, než některé v současnosti používané rozpouštědla, která by snižovala krystalizační účinek na elektrody a prodlužovala baterii život. Než se dostanete do sériové výroby, je třeba ještě více testovat a plánovat, ale brzy očekávejte nehořlavé lithiové baterie.

Vědci aktivně hledají způsoby, jak zvýšit bezpečnost lithiových baterií.

Dramaticky rychlejší nabíjení může být vzdálené jen pár let.

Výzkumná skupina také pracující na anodách na Nangyangské technologické univerzitě vyvinula lithium-iontovou baterii, kterou lze nabít na 70% za pouhé dvě minuty a vydrží více než 10 000 cyklů. To je mimořádně atraktivní jak pro mobilní, tak pro elektronický automobilový průmysl. Místo použití grafitové anody používá gel nanotrubic oxidu titaničitého vyrobený z titanu. Titania je přirozeně se vyskytující sloučenina titanu, je to velmi levná látka používaná jako hlavní aktivní složka opalovacího krému⁵ a lze jej také najít v různých pigmentech, můžete jej dokonce najít v odstředěném mléce, protože zvyšuje bělost⁶. Oxid titaničitý byl v minulosti testován jako anodový materiál, ale použití gelu nanotrubiček výrazně zvyšuje povrchovou plochu, takže anoda může mnohem rychleji absorbovat ionty Li +. Skupina také pozorovala, že oxid titaničitý byl schopen absorbovat více iontů Li + a byl méně náchylný k degradaci než grafit. Titanové nanotrubice se vyrábějí relativně snadno; titania se smísí s louhem, zahřeje, promyje zředěnou kyselinou a zahřívá dalších 15 hodin⁷. Skupina si objev nechala patentovat, takže očekávejte, že se první generace jejich rychlonabíjecích lithiových baterií dostane na trh v příštích několika letech.

Společnosti jako Qualcomm mezitím usilují o zvýšení rychlosti nabíjení stávajících Li-ion baterií QuickCharge, využívající komunikační čipy, které jim umožňují maximalizovat vstupní náboj bez poškození vnitřního obvodu nebo přehřátí baterie. Qualcomm QuickCharge lze nalézt v současných telefonech Android, jako je HTC One M8, Nexus 6 a Galaxy Note 4.

Lithiové anody

Obrazový kredit: Stanford University

Nedávno skupina ve Stanfordu zveřejnila článek⁸ ve kterém objevili tenkou vrstvu uhlíkových nanosfér dokázali umožnit použití lithiového kovu jako anody. Jedná se o „svatý grál“ anod, protože lithiová kovová anoda má zhruba desetinásobek specifické kapacity moderních grafitových anod. Předchozí lithiové anody dosáhly pouze 96% účinnosti, ale poklesly na 50% během 100 cyklů nabíjení a vybíjení, což znamená, že nejsou dobré pro použití v mobilních technologiích. Stanfordský tým však dokázal po 150 cyklech dosáhnout 99%.

Lithiové anody mají několik problémů, včetně tendence vytvářet rozvětvené výrůstky po několika cyklech nabíjení a vybíjení; navíc mohou při kontaktu s elektrolytem explodovat. Vrstva uhlíku je schopna překonat oba tyto problémy. I když skupina nedosáhla cíle 99,9% coulombické účinnosti, věří v několik dalších let výzkumu do vývoje nového elektrolytu a dalších technických vylepšení vtlačí jejich baterii do masy trh. Papír je zajímavé čtení s ilustracemi, pokud k němu máte přístup.

Flexibilní lithiové baterie

Kromě baterií se displeje také stávají flexibilními. Image creditt: LG

Současné lithiové baterie nejsou vůbec pružné a pokus o jejich ohnutí může způsobit nepříznivé strukturální změny na anodě a trvale snížit kapacitu baterie. Flexibilní baterie by byly ideální pro nositelná zařízení a další flexibilní zařízení, příkladem je schopnost prodloužíte výdrž baterie na svých inteligentních hodinkách, protože kožený řemínek má zabudovanou vnější část baterie. Nedávno společnost LG předvedla OLED displej, který by bylo možné srolovat, přičemž displej i obvody byly flexibilní a chybějící ohybnou součástí byla baterie. Společnost LG předvedla zakřivenou „ohýbací“ baterii G Flex sluchátko se složenými buňkami, aby se zabránilo deformaci; toto je zatím nejblíže k „flexibilní“ baterii v běžném smartphonu.

Začátkem tohoto roku společnost na Taiwanu s názvem ProLogium oznámila a zahájila výrobu své flexibilní lithium-keramické polymerové baterie. Samotná baterie je extrémně tenká a je ideální pro vložení do oděvů, které nosí, a má výhodu oproti běžnému Li-po, což je extrémně bezpečné. Můžete jej rozříznout, propíchnout, zkrátit a nebude kouřit ani se vznítit. Nevýhodou je, že je nákladné vyrábět kvůli procesům při výrobě a skladovací kapacita je docela hrozná, když je tenká. Pravděpodobně ji najdete v roce 2015 ve velmi specializovaných zařízeních - a možná i v několika nízkoprofilových bateriových doplňcích.

Skupina v čínské národní laboratoři Shenyang⁹ dosahují pokroku ve vývoji flexibilních alternativ pro každou součást baterie Li-po, ale je stále ještě obrovské množství výzkumu a vývoje, než budou komerčně dostupné. Jeho výhodou oproti lithium-keramické polymerové baterii by byly nižší výrobní náklady, ale tato technologie by měla být přenosná na jiné technologie lithiových baterií, jako je lithium-síra.

Lithium-síra

Oddálení od Li-ion a Li-po existují dva slibné články na bázi lithia, lithium-síra (Li-S) a lithium-vzduch (Li-vzduch). Li-S používá podobnou chemii jako Li-ion, kromě toho, že chemický proces zahrnuje reakci dvou elektronů mezi ionty Li + a sírou. Li-S je mimořádně atraktivní náhradou současných technologií, protože se stejně snadno vyrábí a má vyšší nabíjecí kapacitu. Ještě lepší je, že nevyžaduje vysoce těkavá rozpouštědla, která drasticky snižují riziko požáru zkrat a propíchnutí. Buňky Li-S jsou ve skutečnosti téměř ve výrobě a jsou testovány; jeho nelineární reakce na vybití a nabíjení vyžaduje zcela nový nabíjecí obvod, aby se zabránilo rychlému vybití.

Lithium-vzduch

Výkonné lithium-vzduchové baterie by mohly pohánět elektromobily, ale technologie je stále v plenkách.

V lithium-vzduchových bateriích je katodou článku vzduch, konkrétněji kyslík ve vzduchu. Podobně jako u Li-S baterií chemie Li-vzduchu zahrnuje také reakci dvou elektronů, ale mezi lithiem a kyslíkem. Během procesu nabíjení se ionty Li + pohybují k anodě a baterie uvolňuje kyslík z porézní katody. Poprvé byl navržen v 70. letech pro použití v elektrických vozidlech.

Li-air baterie mohou teoreticky mít vyšší hustotu energie než benzín¹⁰; jako srovnání Zařízení HTC One M8 2600 mAh baterie může ukládat stejné množství energie, které se uvolňuje při hoření jeden gram benzínu. Navzdory rozsáhlému financování Li-air baterií existují závažné výzvy, které je ještě třeba vyřešit, zejména potřeba nových elektrod a elektrolytů, protože současná coulombická účinnost je propastná už po hrstce cykly. U smartphonů to možná nikdy nebude možné z důvodu potřeby stálého větrání, ale mnozí jej považují za „svatý grál na trhu s elektrickými vozidly“, i když to uběhne více než deset let, než ho ve svém elektrickém najdete auto.

Ionty hořčíku

Po úplném odklonu od lithia jsou také intenzivně zkoumány hořčíkově-iontové baterie (Mg-ion). Hořčíkové ionty jsou schopny nést dvojnásobný náboj ve srovnání s lithiovými ionty. Nedávno to řekl tchajwanský tým zabývající se výzkumem Mg-iontových baterií EnergyTrend že Mg-ion má 8 až 12krát vyšší kapacitu ve srovnání s Li-ion s 5krát účinnějšími cykly nabíjení a vybíjení. Uvedli příklad, kdy by typické elektrické kolo s Li-po trvalo nabíjení 3 hodiny, zatímco hořčíková baterie stejné kapacity by trvala jen 36 minut. Bylo také zmíněno, že dokázali zlepšit stabilitu baterie vyrobením elektrod z hořčíkových membrán a hořčíkového prášku. Bude to trvat několik let, než se hořčíkové baterie začnou komerčně používat, ale je to rozhodně blíže než u jiných kandidátů.

Halogenidové baterie

Halogenidové baterie (zaměřené hlavně na chlorid a fluorid) také zahrnují přebíjení iontů, kromě toho, že tyto ionty jsou negativně nabité na rozdíl od výše zmíněných pozitivních kovových iontů. To znamená, že směr plavby nabíjení a vybíjení je obrácen. V roce 2011¹¹, návrh fluoridových iontových baterií podnítil výzkum po celém světě. Fluor je jedním z nejmenších prvků na atomové úrovni, takže teoreticky jej můžete uložit mnohem více v katodě ve srovnání s většími prvky a dosáhnout mimořádně vysoké kapacity. Existuje několik výzev, které musí vědci vyřešit, než se stanou životaschopnými, kvůli fluoru, který je vysoce reaktivní a jeho schopnosti vytáhnout elektron z téměř čehokoli. Potřebné vhodné chemické systémy budou trvat déle, než se vyvinou.

Spolupráce mezi technologickým institutem v Karlsruhe v Německu a univerzitou v Nanjing v Šanghaji Technologie v Číně přišla s důkazem konceptu nového typu dobíjecí baterie na bázi chloridu ionty¹². Namísto přepravy kladných kovových iontů používá tato baterie záporně nabité nekovové ionty. Chlor je méně reaktivní ve srovnání s fluorem, ale má podobné problémy, když je třeba najít chemický systém a vylepšené dříve, než se stanou životaschopnými, takže neočekávejte, že tyto baterie najdete ve smartphonu alespoň po dobu desetiletí.

Superkondenzátory

Kondenzátor je podobný baterii v tom, že je to dvoukoncová součást, která uchovává energii, ale rozdíl je v tom, že kondenzátor se může nabíjet a vybíjet extrémně rychle. Kondenzátory se obecně používají pro rychlé vybíjení elektřiny, jako je xenonový blesk na fotoaparátu. Relativně pomalé chemické procesy v obecné baterii Li-po se nemohou vybít téměř stejnou rychlostí. Fungují také na zcela odlišných principech, baterie se nabíjejí zvyšováním energie chemické látky systém a kondenzátory vytvářejí samostatné náboje na dvou kovových deskách s izolační látkou mezi nimi. Můžete dokonce postavit kondenzátor s kouskem papíru mezi dvěma listy fólie, i když nečekejte, že s ním budete něco nabíjet!

Při nabíjení kondenzátoru proud způsobuje, že se elektrony hromadí na negativní desce a odpuzují je elektrony od kladné desky, dokud není potenciální rozdíl stejný jako napětí jako vstup. (Kapacita kondenzátoru je známá jako kapacita.) Vybíjení kondenzátoru může být nepředstavitelně rychlé. Přírodní analogií pro kondenzátor je blesk, kde se hromadí náboj mezi dnem mraku a Zemí (jako dvě kovové desky) a mezi nimi leží špatný vodič, vzduch. Mraky mají značnou kapacitu a potenciální energie se bude hromadit až do milionů voltů dosáhne bodu, kdy vzduch již není vhodným izolátorem a vede energii z mraku do přízemní.

Při pohledu ještě více dopředu by superkondenzátory mohly jednoho dne umožnit nabíjení telefonu během několika sekund.

Problém s kondenzátory spočívá v tom, že obecně nemohou ukládat tolik energie ve stejném prostoru jako lithiová baterie, ale myšlenka, že můžete svůj telefon nabít během několika sekund, nikoli hodin, je nápad, který poháněl výzkum superkondenzátory. Superkondenzátory (také nazývané ultrakapacitory) se liší od normálních kondenzátorů, protože mají mnohem větší kapacitu tím, že se vyhýbají konvenčnímu pevnému izolátoru a spoléhají na chemické systémy.

Obrovské množství výzkumu jde do integrace grafenu a uhlíkových nanotrubiček (grafen válcovaných do zkumavky) do komponent. Univerzita Tsinghua experimentuje s uhlíkovými nanotrubičkami za účelem zlepšení vodivosti nanofluidů pro použití jako elektrolyty v superkondenzátorech¹³. Texaská univerzita zkoumala procesy hromadné výroby pro výrobu grafenu vhodného pro superkondenzátory¹⁴. Singapurská národní univerzita zkoumá použití grafenových kompozitů jako superkondenzátorových elektrod¹⁵. Uhlíkové nanotrubice mají neobvyklou vlastnost, kdy orientace atomové struktury může určovat, zda je nanotrubice vodič, polovodič nebo izolátor. Pro laboratorní použití jsou grafenové i uhlíkové nanotrubice stále nesmírně drahé, 140 liber (218 $) za 1 cm² list grafen a více než 600 GBP (934 USD) za gram uhlíkové nanotrubice kvůli obtížím při jejich výrobě.

Superkondenzátory zůstávají daleko od komerčního využití. Došlo demonstrace z nichž se používá ve smartphonech, ale tato zařízení jsou objemná. Tato technologie se musí zmenšit a zlevnit na výrobu, než bude připravena k uvedení na trh. Kromě toho vysoká hustota energie nabitého superkondenzátoru přináší potenciál rychlého vybití, což při použití v zařízeních představuje vážné riziko požáru.

Tipy pro prodloužení životnosti lithiové baterie

• Lithiové baterie nevyžadují úpravu, kde musíte baterii nabíjet 24 hodin na první nabití.
• Ponechání telefonu po nabití na nabíječce nezpůsobí přebíjení, s výjimkou velmi vzácných případů, kdy nabíjecí obvod nefunguje správně. Dlouhodobé ponechání baterie na 100% se nedoporučuje.
• Pokud je to možné, používejte rychlé nabíjení střídmě, vyšší teploty zrychlují zhoršení.
• Nenabíjejte při teplotách pod bodem mrazu nabíjení pod bodem mrazu může způsobit nevratné galvanické pokovení kovového lithia na anodě¹⁶.
• Vyvarujte se vybití na 0%, je to špatné pro životnost baterie.
• Uchovávejte lithiové baterie na ~ 40-50%, aby nedošlo ke zhoršení stavu, pokud je to možné, také je odpojte od zařízení.

Sečteno a podtrženo

Nejpravděpodobnějším kandidátem na výdrž baterie nové generace je lithium-síra. Je téměř připraven na sériovou výrobu a ukázal slibné výsledky jak ve zlepšení kapacity, tak v oblasti bezpečnosti, přičemž výroba je relativně levná. Jakmile jsou lithiové anody připraveny k hromadné výrobě za dostatečně nízké náklady, přinese to skok v životnosti baterie, který aktuální nositelná zařízení bez nepříjemně velké potřeby. Bude to více než deset let, než ve svých telefonech a tabletech uvidíte superkondenzátory - ale nebojte se, oxid titaničitý nanotrubice brzy pomohou vašim dobám nabíjení (pokud si výrobce zařízení může dovolit další náklady oproti běžnému grafitu) varianty).

Nicméně tyto technologie postupují, jedna věc je jistá - vzhledem k době by se aktuální bugbears obklopující životnost baterie, kapacitu a rychlost nabíjení smartphonu měly stát minulostí.

Reference

Je čas přestřihnout šňůru!

Jedná se o nejlepší bezdrátová sluchátka, která si můžete koupit za každou cenu!

Nejlepší bezdrátová sluchátka jsou pohodlná, skvěle znějí, nestojí příliš mnoho a snadno se vejdou do kapsy.

Další generace

Vše, co potřebujete o PS5 vědět: Datum vydání, cena a další.

Společnost Sony oficiálně potvrdila, že pracuje na PlayStation 5. Tady je vše, co o tom zatím víme.

Nové Nokie

Nokia uvádí na trh dva nové levné telefony Android One s cenou do 200 $.

Nokia 2.4 a Nokia 3.4 jsou nejnovější přírůstky do řady levných smartphonů HMD Global. Jelikož jsou obě zařízení Android One, je zaručeno, že budou dostávat dvě hlavní aktualizace operačního systému a pravidelné aktualizace zabezpečení až na tři roky.

Ding Dong - dveře zamčené

Zabezpečte si svůj domov pomocí těchto zvonků a zámků SmartThings.

Jednou z nejlepších věcí na SmartThings je, že můžete ve svém systému použít spoustu dalších zařízení třetích stran, včetně zvonků a zámků. Vzhledem k tomu, že všichni v zásadě sdílejí stejnou podporu SmartThings, zaměřili jsme se na to, která zařízení mají nejlepší specifikace a triky, aby bylo možné je přidat do vašeho arzenálu SmartThings.