Futurology 1.1: Οι μικρότερες μπαταρίες υψηλότερης χωρητικότητας είναι πιο κοντά από ποτέ

Επιστροφή στην αρχή του έτους στο δικό μας Futurology smartphone σειρά, εμείς συζητήθηκε η τεχνολογία πίσω από την μπαταρία σε smartphone και τι θα έρθει στο μέλλον. Αυτό το άρθρο είναι μια γρήγορη ενημέρωση σε αυτό το κομμάτι, εξετάζοντας μερικές από τις πρόσφατες εξελίξεις στις μπαταρίες που βασίζονται στη χημεία λιθίου - όπως αυτές που τροφοδοτούν τη συντριπτική πλειοψηφία των smartphone.

Θα ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στο τι μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας του τηλεφώνου σας με την πάροδο του χρόνου και πόσο υψηλή χωρητικότητα τεχνολογίες όπως οι μπαταρίες θείου λιθίου και οι ανόδους μετάλλων λιθίου είναι πιο κοντά από ποτέ πρακτικός. Ελάτε μαζί μας μετά το διάλειμμα.

Διαβάστε περισσότερα: Οι τελευταίες ανακαλύψεις στην τεχνολογία μπαταρίας τηλεφώνου

Πιστωτική εικόνα: Κοινό Κέντρο Έρευνας για την Αποθήκευση Ενέργειας

Μια ομάδα με επικεφαλής το Κοινό Κέντρο Έρευνας για την Αποθήκευση Ενέργειας στις ΗΠΑ κατάφερε να συγκεντρώσει στοιχεία σχετικά με τις διαδικασίες πίσω από την επιδείνωση των μπαταριών λιθίου με την πάροδο του χρόνου.

Απόθεση μετάλλου λιθίου στο ηλεκτρόδιο Li-po με την πάροδο του χρόνου
Πίστωση: Κοινό Κέντρο Έρευνας για την Αποθήκευση Ενέργειας

Η ομάδα ανέπτυξε μια νέα μέθοδο χρησιμοποιώντας STEM (σάρωση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης - μια μέθοδο για ανάλυση απίστευτα μικρών κατασκευών) για να παρατηρηθούν αυτές οι εναποθέσεις σε μια μπαταρία πολυμερούς λιθίου χρόνος.

Η άνοδος μιας μπαταρίας λιθίου είναι αυτό που καθορίζει τη συνολική χωρητικότητα και αυτές οι αυξήσεις διαταράσσουν πόσο αποτελεσματικά η άνοδος είναι σε θέση να αποθηκεύει ιόντα λιθίου και έτσι να μειώνει την χωρητικότητα της μπαταρίας. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι αυτές οι δενδριτικές αυξήσεις μετάλλου λιθίου μπορεί να είναι επικίνδυνες και να προκαλέσουν εσωτερικές αστοχίες που οδηγούν στην έκρηξη της μπαταρίας, ή ακόμα χειρότερα, σε έκρηξη^[2].

Με αυτές τις πρωτοποριακές ικανότητες να παρατηρούν τέτοιες διαδικασίες, η ομάδα μπόρεσε να καθορίσει τους παράγοντες που ελέγχουν αυτές οι αυξήσεις που θα βοηθήσουν τους ερευνητές στον τομέα να βελτιώσουν τη μακροζωία και την ασφάλεια του εμπορικού λιθίου μπαταρίες.

Πιστωτική εικόνα: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια

Υπήρξε μια δραματική αύξηση του αριθμού δημοσιευμένων εργασιών σχετικά με την τεχνολογία θείου λιθίου, και όπως εξηγήθηκε προηγουμένως Η τεχνολογία θεωρείται ως η επόμενη επανάληψη της τεχνολογίας μπαταριών λιθίου, αντικαθιστώντας το ευρέως αποδεκτό πολυμερές λιθίου κύτταρα. Για να ανακεφαλαιώσουμε:

Το θείο λιθίου είναι μια εξαιρετικά ελκυστική αντικατάσταση για τις τρέχουσες τεχνολογίες, καθώς είναι εξίσου εύκολο στην παραγωγή, έχει υψηλότερη ικανότητα φόρτισης. Ακόμα καλύτερα, δεν απαιτεί πολύ πτητικούς διαλύτες που μειώνουν δραστικά τον κίνδυνο πυρκαγιάς από βραχυκύκλωμα και τρυπήματα.

Περισσότερα για θείο λιθίου και άλλες μελλοντικές τεχνολογίες μπαταριών

Πρόσφατα, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας έχει επιλύσει ένα από τα ζητήματα που αφορούν τη χημεία του λιθίου-θείου, δημοσιεύοντας ένα έγγραφο για τον περασμένο μήνα^[3].

Καθώς επιλύονται προβλήματα με τη μακροζωία των μπαταριών Li-S, η τεχνολογία προχωρά περαιτέρω προς πρακτική πραγματικότητα.

Κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στις διαδικασίες φόρτισης και εκκένωσης, σχηματίζονται αλυσίδες πολυσουλφιδίου. Αυτές οι αλυσίδες πρέπει να ρέουν άθικτα μέσω του ηλεκτρολύτη και εδώ είναι το πρόβλημα, το πολυσουλφίδιο μερικές φορές μπορεί να διαλυθεί στη λύση^{[4, 5]} και επηρεάζει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Η ομάδα ανέπτυξε μια μέθοδο επικάλυψης αυτών των πολυσουλφιδίων σε νανοσφαίρες χρησιμοποιώντας ένα λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (ουσιαστικά γυαλί), το οποίο κρατά το πολυσουλφίδιο μακριά από τον ηλεκτρολύτη ενώ μπορεί να κινείται εύκολα μέσα από αυτό ηλεκτρόδια. Με ζητήματα όπως αυτά να επιλύονται διαρκώς από πολλές σκληρές ομάδες έρευνας, το μέλλον των μπαταριών λιθίου-θείου να βρίσκεται στα τηλέφωνά μας πλησιάζει κάθε μέρα.

Πιστωτική εικόνα: Συστήματα SolidEnergy

Αν θυμάστε από το άρθρο της μπαταρίας φουτουρολογίας, ανέφερα πώς το να είμαι σε θέση να χρησιμοποιήσω μέταλλο λιθίου καθώς η άνοδος είναι το «ιερό δισκοπότηρο» των υλικών ανόδου λόγω της επιπλέον χωρητικότητας που φέρνουν.

SolidEnergy Systems Corp. έχουν επιδείξει την «ανώνυμη» μπαταρία λιθίου, η οποία ουσιαστικά αντικαθιστά τον κανονικό γραφίτη και τις σύνθετες ανόδους με μια λεπτή μεταλλική άνοδο λιθίου. Ισχυρίζονται ότι διπλασιάζουν την ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με μια άνοδο γραφίτη και 50% σε σύγκριση με μια σύνθετη άνοδο πυριτίου.

Οι τελευταίες «ανόδιες» μπαταρίες ισχυρίζονται ότι διπλασιάζουν την ενεργειακή πυκνότητα αυτού που υπάρχει στο τηλέφωνό σας αυτήν τη στιγμή.

Η παραπάνω εικόνα που δημοσίευσε η SolidEnergy δείχνει τη δραστική μείωση του μεγέθους, αν και πρέπει να αναφέρω ότι είναι ελαφρώς παραπλανητική. Τόσο οι μπαταρίες Xiaomi όσο και οι Samsung έχουν σχεδιαστεί ώστε να αντικαθίστανται, έτσι θα έχουν ένα επιπλέον πλαστικό κέλυφος και πρόσθετα ηλεκτρονικά όπως κύκλωμα φόρτισης ή ακόμη και (σε ​​ορισμένες μπαταρίες Samsung) NFC κεραία.

Ωστόσο, ωστόσο, μπορείτε να δείτε τη σημαντική διαφορά μεγέθους μεταξύ της εσωτερικής μπαταρίας 1,8 Ah του iPhone και της μπαταρίας 2,0 Ah SolidEnergy η ειδησεογραφική έκθεση του BBC.

Με κινητά τηλέφωνα πολλών κατασκευαστών - συμπεριλαμβανομένων Samsung Galaxy S6 και Το iPhone 6 της Apple - πιέζοντας προς λεπτότερα σχέδια, η ανάγκη για πυκνότερες μπαταρίες γίνεται ακόμη μεγαλύτερη. Η τοποθέτηση περισσότερης ισχύος μπαταρίας σε μικρότερη περιοχή ανοίγει επίσης τη δυνατότητα χρήσης αρκετών ημερών χρήσης από μεγαλύτερα ακουστικά τύπου "phablet", παρέχοντας παράλληλα περισσότερο χυμό για επεξεργαστές μελλοντικής ισχύος.

Εξετάζουμε ένα μέλλον όπου θα είναι ευκολότερο από ποτέ να αποφύγουμε την τρομακτική μπαταρία του smartphone που έχει πεθάνει.

Και όταν πρόκειται για μπαταρίες λιθίου-θείου, ο μειωμένος κίνδυνος πυρκαγιάς από βραχυκύκλωμα ή διάτρηση θα πρέπει να καταστήσουν τις συσκευές μας ασφαλέστερες στη χρήση και λιγότερο επικίνδυνες (και δαπανηρές) για τις μεταφορές κατασκευαστών.

Συνδυάστε το με την πρόσφατη πρόοδο προς ταχύτερη φόρτιση και την ανάπτυξη της ασύρματης φόρτισης τα τελευταία χρόνια και κοιτάζουμε ένα μέλλον όπου θα είναι πιο εύκολο από ποτέ να αποφύγουμε μια μπαταρία smartphone που έχει πεθάνει.

Λοιπόν, πότε θα αρχίσουμε να βλέπουμε αυτές τις νέες τεχνολογίες να είναι διαθέσιμες; Η SolidEnergy εκτιμά ότι η «ανώνυμη» λύση της θα κυκλοφορήσει στην αγορά το 2016 και εξετάζουμε ένα παρόμοιο χρονοδιάγραμμα για τις μπαταρίες Li-S, δεδομένων των πρόσφατων εξελίξεων γύρω από αυτήν την τεχνολογία. Αυτό δεν σημαίνει ότι θα αποσταλούν σε πραγματικές κινητές συσκευές τον επόμενο χρόνο - ωστόσο, η επανάσταση στην τεχνολογία μπαταριών που περιμένουμε όλοι δεν μπορεί να είναι μακριά.

Περισσότερα Futurology: Διαβάστε για το μέλλον της τεχνολογίας smartphone

βιβλιογραφικές αναφορές

1. Β.Λ. Mehdi, J. Κιαν, Ε. Nasybulin, Γ. Park, D.A. Welch, R. Faller, Η. Mehta, W.A. Henderson, W. Xu, C.M. Wang, J.E. Evans, J. Liu, J.G. Zhang, Κ.Τ. Mueller, και N.D. Browning, Παρατήρηση και Ποσοτικός προσδιορισμός διεργασιών νανοκλίμακας σε μπαταρίες λιθίου από την Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): σ. 2168-2173.
2. ΣΟΛ. Zheng, S.W. Λι, Ζ. Liang, Η.-W. Λι, Κ. Γιαν, Η. Γιάο, Η. Wang, W. Λι, Σ. Chu και Y. Cui, διασυνδεδεμένες νανοσφαίρες κοίλου άνθρακα για σταθερές ανόδους λιθίου, Nat Nano, 2014. 9 (8): σ. 618-623.
3. ΣΙ. Κάμπελ, J. Bell, Η. Κόλπος Hosseini, Z. Favors, R. Ionescu, C.S. Ozkan και M. Σωματίδια θείου με επικάλυψη SiO2, με ελαφρά μειωμένο οξείδιο γραφενίου ως υλικό καθόδου για μπαταρίες λιθίου-θείου, Nanoscale, 2015.
4. Υ. Γιανγκ, Γ. Zheng και Y. Cui, κάθοδοι νανοδομημένης θείου, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): σ. 3018-3032.
5. Δ. Λι, Q. Ζανγκ, Γ. Zheng, Z.W. Seh, Η. Yao και Y. Cui, Κατανόηση του ρόλου των διαφορετικών αγώγιμων πολυμερών στη βελτίωση της απόδοσης της νανοδομημένης θειικής θείου, Nano Letters, 2013. 13 (11): σ. 5534-5540.