Futurologija 1.1: Manje baterije većeg kapaciteta bliže su no ikad prije

Natrag na početku godine u našem Futurologija pametnih telefona serija, mi raspravljali tehnologija koja stoji iza baterije u pametnim telefonima i ono što dolazi u budućnosti. Ovaj je članak brzo ažuriranje tog članka, promatrajući neka od nedavnih dostignuća u baterijama zasnovanim na litijevoj kemiji - poput onih koje pokreću veliku većinu pametnih telefona.

Pobliže ćemo pogledati što vremenom smanjuje trajanje baterije vašeg telefona i koliki je kapacitet tehnologije poput litij sumpornih baterija i litij metalnih anoda bliže su no ikad praktično. Pridružite nam se nakon pauze.

Pročitajte više: Najnovija dostignuća u tehnologiji baterija telefona

Kredit za sliku: Zajednički centar za istraživanje skladišta energije

Skupina koju je vodio Zajednički centar za istraživanje skladišta energije u SAD-u uspjela je prikupiti dokaze o procesima koji prolaze kroz propadanje litijevih baterija tijekom vremena^[1]. U svom sam izvornom članku spomenuo dendritične (granajuće poput stabla) izrasline na litijevim metalnim anodama s vremenom smanjujući kapacitet baterije.

Taloženje metala litija na Li-po elektrodi tijekom vremena
Kreditne: Zajednički centar za istraživanje skladišta energije

Tim je razvio novu metodu pomoću STEM-a (skenirajuća prijenosna elektronska mikroskopija - metoda za analizirajući nevjerojatno male strukture) kako bi promatrali taloženja u litij-polimernoj bateriji vrijeme.

Anoda litijeve baterije je ono što određuje ukupni kapacitet, a ovi izrasline remete koliko je učinkovito anoda sposobna pohraniti litijeve ione i tako smanjiti kapacitet baterije. Također je pokazano da ovi dendritični izrasti metala litija mogu biti opasni i uzrokovati unutarnje kvarove koji dovode do baloniranja, ili još gore, do eksplozije^[2].

Zahvaljujući ovim probojnim sposobnostima promatranja takvih procesa, tim je uspio odrediti čimbenike koji kontroliraju ovi rast će pomoći istraživačima u polju da poboljšaju dugovječnost i sigurnost komercijalnih litijumskih proizvoda baterije.

Kredit za sliku: Sveučilište u Kaliforniji

Dramatično se povećao broj objavljenih radova o tehnologiji litijevog sumpora, i kao što je prethodno objašnjeno tehnologija se smatra sljedećom iteracijom tehnologije litijeve baterije, zamjenjujući široko prihvaćeni litijev polimer Stanice. Da rezimiramo:

Litij-sumpor izuzetno je atraktivna zamjena za sadašnje tehnologije jer se jednako lako proizvodi i ima veći kapacitet punjenja. Još bolje, ne trebaju visoko hlapljiva otapala koja drastično smanjuju rizik od požara zbog kratkog spoja i proboja.

Više o litij-sumporu i drugim budućim tehnologijama baterija

Nedavno je grupa sa Kalifornijskog sveučilišta riješila jedno od pitanja vezanih uz kemiju litij-sumpora, objavivši rad o tome prošlog mjeseca^[3].

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

Tijekom kemijskih reakcija koje se javljaju u procesima punjenja i pražnjenja nastaju polisulfidni lanci. Ti lanci moraju teći kroz elektrolit netaknuti i tu je problem, polisulfid se ponekad može otopiti u otopini^{[4, 5]} i uvelike utječe na dugovječnost baterije.

Skupina je razvila metodu presvlačenja ovih polisulfida u nanosfere pomoću tankog sloja silicijevog dioksida (u osnovi staklo), koji drži polisulfid podalje od elektrolita, a istovremeno se kroz njega može lako kretati elektrode. Brojne marljive istraživačke skupine neprestano rješavaju probleme poput ovih, a budućnost litij-sumpornih baterija u našim je telefonima svakim danom sve bliža.

Kredit za sliku: SolidEnergy sustavi

Ako se sjećate iz članka o futurologiji baterija, spomenuo sam kako je mogućnost upotrebe metala litija kao anode "sveti gral" anodnih materijala zbog dodatnog kapaciteta koji oni donose.

SolidEnergy Systems Corp. pokazali su svoju litijsku bateriju bez anode, koja u osnovi zamjenjuje normalne grafitne i kompozitne anode tankom litij metalnom anodom. Tvrde da udvostručuju gustoću energije u usporedbi s grafitnom anodom i 50% u odnosu na silicijsku kompozitnu anodu.

Najnovije baterije bez anoda tvrde da udvostručuju energetsku gustoću onoga što je trenutno na vašem telefonu.

Gornja slika koju je SolidEnergy objavio pomaže pokazati drastično smanjenje veličine, premda bih trebao spomenuti da pomalo zavarava. I Xiaomi i Samsung baterije dizajnirane su da budu zamjenjive, pa bi imale i dodatnu plastiku ljuska i dodatna elektronika kao što je krug za punjenje ili čak (u nekim Samsung baterijama) NFC antena.

Međutim, nakon što ste to rekli, možete vidjeti značajnu razliku u veličini između iPhoneove unutarnje baterije od 1,8 Ah i baterije od 2,0 Ah SolidEnergy u vijest BBC-a.

S vodećim telefonima nekoliko proizvođača - uključujući Samsungov Galaxy S6 i Appleov iPhone 6 - gurajući prema tanjim izvedbama, potreba za gušćim baterijama postaje još veća. Ubacivanje više baterije u manje područje također otvara mogućnost dobivanja višednevne upotrebe iz većih "phablet" mobilnih telefona, dok istovremeno pruža više soka za procesori gladni moći.

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

A što se tiče litij-sumpornih baterija, smanjen je rizik od požara zbog kratkog spoja ili probijanja bi trebao učiniti naše uređaje sigurnijima za upotrebu, a proizvođačima manje opasne (i skupe) za transport.

Kombinirajte ovo s nedavnim napretkom prema bržem punjenju i rast 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 vidjeti kako ove nove tehnologije postaju dostupne? SolidEnergy procjenjuje da će se njegovo "bez anode" rješenje pojaviti na tržištu 2016. godine, a sličan raspored razmatramo i za Li-S baterije, s obzirom na nedavni razvoj oko ove tehnologije. To ne znači da će isporučivati ​​stvarne mobilne uređaje u idućih godinu dana - unatoč tome, revolucija u tehnologiji baterija koju smo svi čekali ne može biti daleko.

Više futurologije: Pročitajte o budućnosti tehnologije pametnih telefona

Reference

1. B.L. Mehdi, J. Qian, E. Nasybulin, C. Park, D.A. Welch, R. Faller, H. Mehta, W.A.Henderson, W. Xu, C.M. Wang, J. E. Evans, J. Liu, J.G. Zhang, K.T. Mueller i N.D. Browning, promatranje i kvantificiranje nanorazmjernih procesa u litijevim baterijama Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): str. 2168-2173.
2. G. Zheng, S.W. 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. Zaljev Hosseini, Z. Favorizira, R. Ionescu, C. S. Ozkan i M. Ozkan, SiO2 presvučene čestice sumpora s blago reduciranim grafenskim oksidom kao katodni materijal za litij-sumporne baterije, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng i Y. Cui, Nanostrukturirane sumporne katode, Recenzije kemijskog društva, 2013. 42 (7): str. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, Z.W. Seh, H. Yao i Y. Cui, Razumijevanje uloge različitih vodljivih polimera u poboljšanju izvedbe nanostrukturirane sumporne katode, Nano slova, 2013. 13 (11): str. 5534-5540.