Smartphone Futurology: Vitenskapen bak batteriet til din neste telefon

Velkommen til Smartphone Futurology. I denne nye serien med vitenskapsfylte artikler, Mobile Nations gjestebidragsyter (og all-around god fyr å vite) Shen Ye går gjennom dagens teknologier som er i bruk i telefonene våre, samt de nyeste tingene som fremdeles utvikles i laboratoriet. Det er ganske mye vitenskap framover, ettersom mange av de fremtidige diskusjonene er basert på vitenskapelige papirer med en stor mengde teknisk sjargong, men vi har prøvd å holde ting så enkle og enkle som mulig. Så hvis du vil dykke dypere inn i hvordan tarmene til telefonen din fungerer, er dette serien for deg.

Med 2014 nå et falmende minne, og en ny generasjon flaggskiptelefoner i horisonten, er det på tide å se fremover og se hva vi kan se i fremtidens smarttelefoner. Vi starter serien med nåværende og fremtidige batteriteknologier, sammen med noen tips som hjelper deg med å forbedre levetiden til batteriene i enhetene dine. Batteriytelse - i både levetid og lading - er et av områdene innen mobilteknologi der det fortsatt er god plass til forbedring, og det er et vell av forskjellige teknologier i utvikling som tar sikte på å gjøre akkurat at. Les videre for å finne ut mer.

Om forfatteren

Shen Ye er en Android-utvikler og MSci utdannet kjemi fra University of Bristol. Fang ham på Twitter @shen og Google+ + ShenYe.

En introduksjon til litiumbatterier

Oppladbare batteriteknologier har blitt stadig bedre for å holde tritt med det enorme fremskritt innen ytelse av bærbar elektronikk, noe som gjør det til et sterkt undersøkt tema i vitenskapssamfunn. Det store flertallet av batterier i bærbar elektronikk bruker litiumbasert kjemi, den vanligste er litiumion (Li-ion) og litium-polymer (Li-po). Li-ion-batterier erstattet bruken av oppladbare nikkel-kadmiumbatterier (Ni-Cad) på slutten av 1900-tallet¹ med drastisk høyere kapasitet og vektreduksjoner. Li-ion-batterier produseres vanligvis som knappceller eller som lange metallsylindere (lignende form og størrelse som et AA-batteri) som stables og settes inn i batteripakker som den i din telefonen. Denne pakningen gir imidlertid et ineffektivt lavt forhold mellom batteri og volum. Li-po batterier ble introdusert noen år senere med samme kjemi, men i dette tilfellet erstattes det flytende løsningsmidlet med en solid polymer kompositt og selve batteriet er innkapslet i en plastlaminering i stedet for en stiv metallhylse, noe som gir den litt mer flex.

De fleste litiumbaserte batterier fungerer på en kjemisk prosess der litiumioner (Li +) beveger seg fra anoden (positiv elektrode) til katoden (negativ elektrode) gjennom en elektrolyttløsning, og frigjør strøm til krets. (Og dermed drive telefonen eller nettbrettet.) Under ladingen blir prosessen snudd og Li + -ionene absorberes av anoden. Kapasiteten til et batteri er hovedsakelig diktert av antall Li + -ioner anoden kan absorbere. Nesten alle moderne litiumbatterier av forbrukerkvalitet har anoder laget av grafitt, med en svært vanlig overflate for å maksimere absorpsjonen.

Skjematisk oversikt over hvordan et litiumionbatteri lades ut og gir strøm til telefonen.

Imidlertid brytes litiumbatterier over tid, og denne prosessen økes ved høyere temperaturer, spesielt av omgivelsestemperaturøkningen forårsaket av lading. (For ikke å nevne faktisk ved hjelp av enheten, som også genererer varme.) Det er en av grunnene til at det er gunstig å bruke en lav strømstyrke lader for lading over natten, ettersom raskere lading forårsaker større økning i batteriet temperatur.

Litiumbatterier brytes ned over tid, og denne prosessen økes ved høyere temperaturer.

Denne aldringsprosessen skyldes kjemiske og strukturelle endringer i elektrodene, hvorav den ene er bevegelsen av Li + -ionene over tid kan skade den sterkt ordnede overflaten på elektrodene. Over tid kan litiumsaltene som utgjør elektrolytten krystallisere seg på elektrodene, noe som kan tette porene og forhindre opptak av Li + -ioner. Nedbrytningen av batterier blir ofte referert til som "coulombic efficiency", som beskriver forholdet av antall elektroner ekstrahert fra anoden til antall elektroner som kan settes inn i løpet av lading. Vanligvis må et batteri ha en coulombisk effektivitet på over 99,9% for at det skal være kommersielt levedyktig.

En stor bekymring for Li-ion- og Li-po-batterier er risikoen for brann hvis de overbelastes, overopphetes, blir korte eller punkterer. Ladekretser i bærbare enheter er designet for å forhindre de tre første effektene, men hvis de mislykkes, kan det være ekstremt farlig² da det kan forårsake varmeoppbygging som til slutt starter en termisk rømling. (Tenk "bom!") Punkteringer er sjeldne ettersom batterier pleier å pakkes inne i enhetene de får strøm, men de er også en potensiell fare.³. En faktor som noen ganger overses, er ventilasjon. Ventilasjon er nødvendig for å hjelpe til med å spre varmen som genereres av batteriet, og kan også forhindre opphopning av brennbare løsemidler hvis de skulle lekke, noe som reduserer risikoen for en eksplosjon.

Fremtidige forbedringer

Hva er det neste for litiumbatterier? Høyere kapasitet, lengre levetid, forbedret sikkerhet og raskere lading.

De tre beste forbedringene som forskere etterspør er høyere energitettheter, lengre levetid, bedre sikkerhet og raskere ladningshastigheter. Med dagens Li-po-teknologi utvider forbedring av anodematerialet både batteriets kapasitet og levetid, høyere absorpsjonshastigheter forbedrer ladehastigheten, et større antall litiumioner øker kapasiteten, og et mer elastisk anodemateriale kan forlenge batteriets levetid. Andre områder som blir undersøkt inkluderer elektrolytten mellom elektrodene og reduksjon i produksjonskostnadene for de enkelte komponentene.

Ikke-brennbare komponenter

Bildekreditt: NTSB

Forskere leter aktivt etter måter å gjøre litiumbatterier tryggere. En av de siste hendelsene som fikk mye omtale er en brann som grunnla Boeing 787 som ble funnet å være forårsaket av flyets litiumpolymerbatteri. Tidligere i år kunngjorde University of North Carolina at de har oppdaget en erstatning for de svært brannfarlige organiske løsningsmidlene som ofte brukes i litiumbatterier, kalt perfluorpolyeter (PFPE)⁴. PFPE-oljer har vært et mye brukt industrielt smøremiddel, men gruppen har funnet at litiumsalter kan oppløses i det. Gruppen mener at PFPE faktisk kan oppløse litiumsaltene bedre enn noen som brukes for tiden løsemidler, som vil redusere krystalliseringseffekten på elektrodene og forlenge batteriet liv. Det må fortsatt utføres mer testing og planlegging før du begynner å masseproduksjon, men forvent ikke brennbare litiumbatterier veldig snart.

Forskere ser aktivt på måter å gjøre litiumbatterier tryggere.

Dramatisk raskere lading kan bare være et par år unna.

En forskningsgruppe som også arbeider med anoder ved Nangyang Technological University, har utviklet et Li-ion-batteri som kan lades til 70% på bare to minutter, og som tåler over 10 000 sykluser. Dette er ekstremt attraktivt for både mobil og elektronisk bilindustri. I stedet for å bruke en grafittanode bruker den en gel av titandioksid-nanorør laget av titanoksyd. Titania er en naturlig forekommende forbindelse av titan, det er et veldig billig stoff som brukes som den viktigste aktive komponenten i solkrem⁵ og kan også finnes i en rekke pigmenter, du kan til og med finne den i skummet melk, da den forbedrer hvitheten⁶. Tidligere har titandioksid blitt testet som et anodemateriale, men å bruke en gel av nanorør øker overflatearealet kraftig, slik at anoden kan oppta Li + -ioner mye raskere. Gruppen observerte også at titandioksidet var i stand til å absorbere flere Li + -ioner og var mindre utsatt for nedbrytning enn grafitt. Titan-nanorør er relativt enkle å lage; titania ble blandet med lut, oppvarmet, vasket med fortynnet syre og oppvarmet i ytterligere 15 timer⁷. Gruppen har patentert oppdagelsen, så forvent å se den første generasjonen av hurtigladende litiumbatterier komme på markedet de neste par årene.

I mellomtiden jobber selskaper som Qualcomm med å øke ladehastigheten i eksisterende Li-ion-batterier med innsats som QuickCharge, ved hjelp av kommunikasjonsbrikker som lar dem maksimere inngangsladningen uten å skade den interne sirkusiteten eller overoppheting batteriet. Qualcomm QuickCharge finnes i nåværende Android-telefoner som HTC One M8, Nexus 6 og Galaxy Note 4.

Litiumanoder

Bildekreditt: Stanford University

Nylig publiserte en gruppe i Stanford et papir⁸ der de oppdaget at et tynt lag med karbonnanosfærer var i stand til å tillate bruk av litiummetall som en anode. Dette er den "hellige gral" av anoder, ettersom en litiummetallanode har omtrent 10 ganger den spesifikke kapasiteten til moderne grafittanoder. Tidligere litiumanoder har bare nådd 96% effektivitet, men falt til 50% over 100 ladeutladningssykluser, noe som betyr at de ikke er bra for bruk i mobilteknologi. Men Stanford-teamet klarte å oppnå 99% etter 150 sykluser.

Litiumanoder har noen få problemer, inkludert tendensen til å danne forgrenede vekster etter noen få ladningsutslippssykluser; Dessuten kan de eksplodere når de kommer i kontakt med elektrolytten. Laget av karbon er i stand til å overvinne begge disse problemene. Mens gruppen ikke har nådd målet 99,9% coulombic effektivitet, tror de noen flere års forskning til å utvikle en ny elektrolytt og ytterligere tekniske forbedringer vil skyve batteriet inn i massen marked. Avisen er en interessant lesning med illustrasjoner hvis du har tilgang til den.

Fleksible litiumbatterier

I tillegg til batterier blir skjermer også fleksible. Bildekreditt: LG

Nåværende litiumbatterier er ikke fleksible i det hele tatt, og prøver å bøye dem kan føre til ugunstige strukturelle endringer på anoden og redusere batterikapasiteten permanent. Fleksible batterier vil være ideelle for bærbare enheter og andre fleksible enheter, et eksempel er evnen for å få lengre batterilevetid på smartklokken din fordi lærremmen har en innebygd ekstern batteri. Nylig viste LG frem en OLED-skjerm som kunne rulles sammen, hvor både skjermen og kretsene var fleksible og den bøybare komponenten manglet var batteriet. LG har presentert et buet "bøybart" batteri G Flex håndsett, med celler stablet for å forhindre deformasjon; dette er det nærmeste vi har kommet et "fleksibelt" batteri i en vanlig smarttelefon hittil.

Tidligere i år annonserte et selskap i Taiwan som heter ProLogium og begynte produksjonen av deres fleksible litiumkeramiske polymerbatteri. Selve batteriet er ekstremt tynt og ideelt for innbygging i klær, og det har en fordel i forhold til normal Li-po, det er at det ekstremt trygt. Du kan kutte den, punktere den, kortslutte den, og den vil ikke røyke eller ta fyr. Ulempen er at det er dyrt å produsere på grunn av prosessene som er involvert i produksjonen, og lagringskapasiteten er ganske forferdelig når den er tynn. Du vil sannsynligvis finne det i veldig nisjeenheter - og kanskje noen få lavprofilbatteritilbehør - i 2015.

En gruppe i Kinas Shenyang National Laboratory⁹ har gjort fremskritt med å utvikle fleksible alternativer for hver komponent i et Li-po batteri, men det er fremdeles enormt mye forskning og utvikling å gjøre før de er kommersielt tilgjengelige. Dens fordel i forhold til litiumkeramisk polymerbatteri vil være lavere produksjonskostnader, men teknologien bør kunne overføres til andre litiumbatteriteknologier, for eksempel litium-svovel.

Litium-svovel

Når vi beveger oss bort fra Li-ion og Li-po, er det to lovende litiumbaserte celler, litium-svovel (Li-S) og litium-luft (Li-air). Li-S bruker lignende kjemi som Li-ion, bortsett fra at den kjemiske prosessen innebærer en to-elektronreaksjon mellom Li + -ionene og svovel. Li-S er en ekstremt attraktiv erstatning for dagens teknologi, siden den er like enkel å produsere og har høyere ladekapasitet. Enda bedre, det krever ikke svært flyktige løsemidler som drastisk reduserer risikoen for brann fra kortslutning og punkteringer. Li-S-celler er faktisk nær produksjon og blir testet; dets ikke-lineære utladnings- og ladningsrespons krever en helt ny ladekrets for å forhindre rask utladning.

Litium-luft

Kraftige litium-luftbatterier kan kjøre elektriske biler, men teknologien er fortsatt i begynnelsen.

I Li-air-batterier er katoden til cellen luft, eller mer spesifikt oksygen i luften. I likhet med Li-S-batterier innebærer kjemien til Li-air også en to-elektron-reaksjon, men mellom litium og oksygen. Under ladeprosessen beveger Li + -ionene seg til anoden, og batteriet frigjør oksygen fra den porøse katoden. Det ble først foreslått på 1970-tallet for bruk i elektriske kjøretøyer.

Li-air-batterier kan teoretisk ha høyere energitetthet enn bensin¹⁰; som en sammenligning HTC One M8 2600 mAh batteri kan lagre samme mengde energi som frigjøres når du brenner et enkelt gram bensin. Til tross for omfattende finansiering av Li-air batterier, er det alvorlige utfordringer som ennå ikke er løst, spesielt behovet for nye elektroder og elektrolytter, ettersom den nåværende coulombiske effektiviteten er dystre etter bare en håndfull sykluser. Det kan aldri være mulig i smarttelefoner på grunn av behovet for konstant ventilasjon, men det blir sett på av mange som "Holy Grail of the Electric Vehicle Market", selv om det vil gå over et tiår før du finner den i din elektriske bil bil.

Magnesium-ion

Når vi beveger oss helt bort fra litium, er magnesiumionbatterier (Mg-ion) også grundig undersøkt. Magnesiumioner er i stand til å bære dobbelt ladning sammenlignet med litiumioner. Et taiwansk team som forsket på Mg-ion-batterier fortalte nylig EnergyTrend at Mg-ion har 8 til 12 ganger høyere kapasitet sammenlignet med Li-ion med 5 ganger mer effektive ladningsutladningssykluser. De uttalte et eksempel der en typisk elsykkel med Li-po ville ta 3 timer å lade, mens et magnesiumbatteri med samme kapasitet bare ville ta 36 minutter. Det ble også nevnt at de var i stand til å forbedre stabiliteten til batteriet ved å lage elektrodene av magnesiummembraner og magnesiumpulver. Det vil ta noen år før magnesiumbatterier brukes kommersielt, men det er definitivt nærmere enn noen andre kandidater.

Halide-ion-batterier

Halide-ion-batterier (hovedsakelig med fokus på klorid og fluor) involverer også skyttel av ioner, bortsett fra at disse ionene er negativt ladet i motsetning til de positive metallionene som er nevnt ovenfor. Det betyr at skyttelretningen for lading og utladning er omvendt. I 2011¹¹, antydet forslaget om fluor-ion-batterier forskning over hele verden. Fluor er et av de minste elementene på atomnivå, så teoretisk kan du lagre mye mer av det i en katode sammenlignet med større elementer og oppnå en ekstraordinær høy kapasitet. Det er flere utfordringer som forskere må løse før disse blir levedyktige, på grunn av at fluor er veldig reaktivt og dets evne til å trekke et elektron fra nesten hva som helst. Det vil ta tid å utvikle de nødvendige kjemiske systemene.

Et samarbeid mellom Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland og Nanjing University of Teknologien i Kina kom med et bevis på konseptet for en ny type oppladbart batteri basert på klorid ioner¹². I stedet for shuttling av positive metallioner bruker dette batteriet negativt ladede ikke-metalliske ioner. Klor er mindre reaktivt sammenlignet med fluor, men det har lignende problemer der et kjemisk system må finnes og raffinert før de blir levedyktige, så ikke forvent å finne disse batteriene i smarttelefonen din i minst en tiår.

Superkondensatorer

En kondensator ligner på et batteri, fordi det er en to-terminal komponent som lagrer energi, men forskjellen er at en kondensator kan lade og lade ut ekstremt raskt. Kondensatorer brukes vanligvis til rask utladning av elektrisitet, som xenon-blitsen på et kamera. De relativt sakte kjemiske prosessene i et generelt Li-po-batteri kan ikke tømmes i nærheten av samme hastigheter. De jobber også med helt andre prinsipper, batterier lades ved å øke energien til et kjemikalie system og kondensatorer bygger separate ladninger på to metallplater med et isolerende stoff mellom. Du kan til og med bygge en kondensator med et stykke papir mellom to ark folie, men ikke forvent å lade noe med det!

Når en kondensator lades opp, får strømmen elektroner til å bygge seg opp på den negative platen, og avstøter elektroner vekk fra den positive platen til potensialforskjellen er den samme som spenningen som inngang. (Kapasiteten til en kondensator kalles kapasitans.) Utladningen av en kondensator kan være ufattelig rask. Naturens analogi med en kondensator er lyn, hvor du har en oppbygging av ladning mellom bunnen av en sky og jorden (som de to metallplatene) og i mellom ligger en dårlig leder, luft. Skyer har en betydelig kapasitans, og den potensielle energien vil bygge opp til millioner volt til den når det punktet hvor luften ikke lenger er en passende isolator og leder energien fra skyen til bakke.

Ser du enda lenger frem, kan superkondensatorer en dag tillate at telefonen lades på få sekunder.

Problemet med kondensatorer er at de vanligvis ikke kan lagre så mye energi på samme plass som et litiumbatteri kan, men å tenke på å kunne lade telefonen i løpet av sekunder i stedet for timer, er en idé som har drevet forskningen inn i superkondensatorer. Superkondensatorer (også kalt ultrakondensatorer) er forskjellige fra normale kondensatorer, da de har en langt større kapasitans ved å unngå den konvensjonelle faste isolatoren og stole på kjemiske systemer.

Det går mye forskning i å integrere grafen og karbonnanorør (grafen rullet inn i et rør) i komponentene. Tsinghua University har eksperimentert med karbon-nanorør for å forbedre ledningsevnen til nanofluider for bruk som elektrolytter i superkondensatorer¹³. University of Texas har sett på masseproduksjonsprosesser for å lage grafen egnet for superkondensatorer¹⁴. National University of Singapore forsker på bruken av grafenkompositter som superkapasitorelektroder¹⁵. Karbonnanorør har en uvanlig egenskap der atomerstrukturen kan diktere hvorvidt en nanorør er en leder, halvleder eller isolator. For laboratoriebruk er både grafen og karbon nanorør fortsatt enormt dyre, £ 140 ($ 218) for en 1 cm² ark av grafen og over £ 600 ($ 934) per gram karbon nanorør på grunn av vanskeligheter med å produsere dem.

Superkondensatorer er fortsatt langt fra brukt kommersielt. Det har vært demonstrasjoner av dem som brukes i smarttelefoner, men disse enhetene har vært store. Teknologien må både krympe i størrelse og bli billigere å produsere før de er klare til å bli introdusert i markedet. Bortsett fra det, gir den høye energitettheten til en ladet superkondensator potensialet for rask utladning, noe som utgjør en alvorlig brannrisiko når den brukes i enheter.

Tips for å forbedre litiumbatteriets levetid

• Litiumbatterier krever ikke kondisjonering, hvor du må lade batteriet i 24 timer ved første lading.
• Hvis du lar telefonen være på laderen etter at den er ladet, vil det ikke føre til overlading, unntatt i svært sjeldne tilfeller der ladekretsen ikke fungerer. Det anbefales ikke å la batteriet ligge på 100% i lange perioder.
• Bruk hurtiglading sparsomt der det er mulig, høyere temperatur gir raskere forverring.
• Unngå lading ved temperaturer under frysepunktet ettersom underfrysing kan lade irreversibel galvanisering av metallisk litium på anoden¹⁶.
• Unngå utslipp til 0%, det er dårlig for batteriets levetid.
• Oppbevar litiumbatterier på ~ 40-50% for å redusere forringelse, koble dem også fra enheten hvis mulig.

Bunnlinjen

Den mest sannsynlige kandidaten for neste generasjon innen smarttelefonbatterilevetid er litium-svovel. Den er nesten klar for masseproduksjon, og har vist lovende resultater i både kapasitets- og sikkerhetsforbedringer, samtidig som den er relativt billig å produsere. Når litiumanoder er klare til masseproduksjon til en lav nok kostnad, vil det føre til et hopp i batterilevetid som gjeldende bærbare trenger uten å være ubehagelig stor. Det vil gå mer enn et tiår før du ser superkondensatorer i telefonene og nettbrettene dine - men ikke bekymre deg, titandioksid nanorør vil snart hjelpe ladetiden din (hvis produsenten av enheten har råd til ekstra kostnad over vanlig grafitt varianter).

Imidlertid utvikler disse teknologiene seg, en ting er sikkert - gitt tid, nåværende bugbears rundt smarttelefonens batterilevetid, kapasitet og ladehastigheter bør bli en saga blott.

Referanser

Det er på tide å kutte ledningen!

Dette er de beste trådløse ørepluggene du kan kjøpe til enhver pris!

De beste trådløse øreproppene er komfortable, høres bra ut, koster ikke for mye og passer lett i lommen.

Neste generasjon

Alt du trenger å vite om PS5: Utgivelsesdato, pris og mer.

Sony har offisielt bekreftet at de jobber med PlayStation 5. Her er alt vi vet om det så langt.

Nye Nokias

Nokia lanserer to nye budsjett Android One-telefoner under $ 200.

Nokia 2.4 og Nokia 3.4 er de siste tilskuddene til HMD Globals budsjett for smarttelefoner. Siden de begge er Android One-enheter, vil de garantert motta to store OS-oppdateringer og vanlige sikkerhetsoppdateringer i opptil tre år.

Ding Dong - dører låst

Sikre hjemmet ditt med disse SmartThings-dørklokkene og låsene.

En av de beste tingene med SmartThings er at du kan bruke en rekke andre tredjepartsenheter på systemet ditt, inkludert dørklokker og låser. Siden de i det vesentlige deler den samme SmartThings-støtten, har vi fokusert på hvilke enheter som har de beste spesifikasjonene og triksene for å rettferdiggjøre å legge dem til SmartThings-arsenalet ditt.