Futurology 1.1: Mniejsze akumulatory o większej pojemności są bliżej niż kiedykolwiek wcześniej

Jeszcze na początku roku w naszym Futurologia smartfonów seria, my omówione technologia stojąca za baterią w smartfonach i co ma nadejść w przyszłości. Ten artykuł jest szybką aktualizacją tego artykułu, poświęconą niektórym z ostatnich osiągnięć w dziedzinie baterii opartych na chemii litu - takich jak te, które zasilają zdecydowaną większość smartfonów.

Przyjrzymy się bliżej, co z czasem skraca żywotność baterii Twojego telefonu i jak dużą pojemność technologie, takie jak akumulatory litowo-siarkowe i anody litowo-metalowe, są bliżej niż kiedykolwiek praktyczny. Dołącz do nas po przerwie.

Przeczytaj więcej: Najnowsze osiągnięcia w technologii baterii telefonów

Kredyt obrazu: Wspólne Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii

Grupie kierowanej przez Joint Centre for Energy Storage Research w USA udało się zebrać dowody na procesy odpowiadające za degradację baterii litowych w czasie^[1]. W moim oryginalnym artykule wspomniałem o naroślach dendrytycznych (rozgałęziających się jak drzewo) na anodach litowo-metalicznych, które z czasem zmniejszają pojemność baterii.

Osadzanie się metalu litu na elektrodzie Li-po w czasie
Kredyt: Wspólne Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii

Zespół opracował nową metodę wykorzystującą STEM (skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa - metoda na analizując niewiarygodnie małe struktury), aby obserwować te osady w baterii litowo-polimerowej czas.

To anoda baterii litowej decyduje o całkowitej pojemności, a wzrosty te zakłócają skuteczność anody w magazynowaniu jonów litu, a tym samym zmniejszają pojemność baterii. Wykazano również, że te dendrytyczne narośle litu metalicznego mogą być niebezpieczne i powodować wewnętrzne awarie, które prowadzą do rozdęcia się akumulatora lub, co gorsza, wybuchu^[2].

Dzięki tym przełomowym umiejętnościom obserwacji takich procesów zespół był w stanie określić czynniki, które je kontrolują te wzrosty, które pomogą badaczom w tej dziedzinie poprawić trwałość i bezpieczeństwo komercyjnego litu baterie.

Kredyt obrazu: Uniwersytet Kalifornijski

Nastąpił dramatyczny wzrost liczby opublikowanych artykułów na temat technologii litowo-siarkowej, jak wyjaśniono wcześniej technologia jest postrzegana jako kolejna iteracja w technologii baterii litowych, zastępująca szeroko stosowany polimer litowy komórki. Przypomnę:

Litowo-siarkowy jest niezwykle atrakcyjnym zamiennikiem obecnych technologii, ponieważ jest równie łatwy w produkcji, ma wyższą pojemność ładowania. Co więcej, nie wymaga wysoce lotnych rozpuszczalników, które drastycznie zmniejszają ryzyko pożaru w wyniku zwarcia i przebicia.

Więcej o litowo-siarkowym i innych przyszłych technologiach akumulatorów

Niedawno grupa z Uniwersytetu Kalifornijskiego rozwiązała jeden z problemów związanych z chemią litu i siarki, publikując artykuł na ten temat w zeszłym miesiącu^[3].

Wraz z rozwiązywaniem problemów z długowiecznością akumulatorów Li-S, technologia posuwa się dalej, aby stać się praktyczną rzeczywistością.

Podczas reakcji chemicznych zachodzących w procesach ładowania i rozładowania powstają łańcuchy polisiarczkowe. Łańcuchy te muszą przepływać przez elektrolit w stanie nienaruszonym i na tym polega problem, polisiarczek może czasami rozpuścić się w roztworze^{[4, 5]} i znacząco wpływa na żywotność baterii.

Grupa opracowała metodę powlekania tych polisiarczków w nanosfery przy użyciu cienkiej warstwy dwutlenku krzemu (zasadniczo szkło), który utrzymuje polisiarczek z dala od elektrolitu, jednocześnie będąc w stanie łatwo przechodzić przez niego między elektrody. Ponieważ takie problemy są nieustannie rozwiązywane przez liczne ciężko pracujące grupy badawcze, przyszłość baterii litowo-siarkowych w naszych telefonach jest coraz bliżej.

Kredyt obrazu: SolidEnergy Systems

Jeśli pamiętacie z artykułu o futurologii baterii, wspomniałem, że możliwość użycia litu metalicznego jako anody jest „świętym Graalem” materiałów anodowych ze względu na dodatkową pojemność, jaką zapewniają.

SolidEnergy Systems Corp. pokazują swoją „bezanodową” baterię litową, która zasadniczo zastępuje zwykłe anody grafitowe i kompozytowe cienką anodą litowo-metaliczną. Twierdzą, że podwajają gęstość energii w porównaniu z anodą grafitową i 50% w porównaniu z anodą z kompozytu krzemowego.

Najnowsze „bezanodowe” baterie podwoją gęstość energii w porównaniu z tym, co jest teraz w Twoim telefonie.

Powyższy obraz, który opublikował SolidEnergy, pomaga pokazać drastyczne zmniejszenie rozmiaru, chociaż powinienem wspomnieć, że jest nieco mylący. Zarówno baterie Xiaomi, jak i Samsung są zaprojektowane jako wymienne, więc miałyby dodatkowy plastik obudowę i dodatkową elektronikę, taką jak obwód ładowania lub nawet (w niektórych bateriach Samsunga) NFC antena.

Jednak to powiedziawszy, widać znaczną różnicę rozmiarów między wewnętrzną baterią iPhone'a 1,8 Ah a akumulatorem SolidEnergy 2,0 Ah w raport informacyjny BBC.

Z flagowymi telefonami kilku producentów - w tym Samsung Galaxy S6 i Apple iPhone 6 - dążąc do cieńszych konstrukcji, zapotrzebowanie na gęstsze baterie staje się jeszcze większe. Umieszczenie większej mocy baterii na mniejszym obszarze otwiera również możliwość kilku dni użytkowania z większych telefonów typu „phablet”, zapewniając jednocześnie więcej mocy dla energochłonne procesory przyszłości.

Patrzymy w przyszłość, w której uniknięcie przerażająco wyczerpanej baterii smartfona będzie łatwiejsze niż kiedykolwiek.

A jeśli chodzi o akumulatory litowo-siarkowe, mniejsze ryzyko pożaru w wyniku zwarcia lub przebicia powinny uczynić nasze urządzenia bezpieczniejszymi w użytkowaniu i mniej niebezpiecznymi (i kosztowniejszymi) dla producentów w transporcie.

Połącz to z niedawnym postępem w kierunku szybszego ładowania i rozwój ładowania bezprzewodowego w ostatnich latach i patrzymy w przyszłość, w której uniknięcie rozładowanej baterii smartfona będzie łatwiejsze niż kiedykolwiek.

Kiedy więc zaczniemy widzieć, jak te nowe technologie będą dostępne? SolidEnergy szacuje, że jej „bezanodowe” rozwiązanie pojawi się na rynku w 2016 r., A my spodziewamy się podobnego harmonogramu również dla akumulatorów Li-S, biorąc pod uwagę najnowsze osiągnięcia związane z tą technologią. Nie oznacza to, że będą dostępne w rzeczywistych urządzeniach mobilnych w przyszłym roku - niemniej jednak rewolucja w technologii baterii, na którą wszyscy czekaliśmy, nie może być daleko.

Więcej Futurologia: przeczytaj o przyszłości technologii smartfonów

Bibliografia

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, JE Evans, J. Liu, J.G. Zhang, K.T. Mueller i N.D. Browning, Observation and Quantification of Nanoscale Processes in Lithium Batteries, autor: Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): str. 2168-2173.
2. SOL. Zheng, S.W. Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang W. Li, S. Chu i Y. Cui, Połączone puste w środku nanosfery węglowe do stabilnych anod litowo-metalicznych, Nat Nano, 2014. 9 (8): str. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Zatoka Hosseini, Z. Łaski, R. Ionescu, C.S. Ozkan i M. Ozkan, cząsteczki siarki pokryte SiO2 z lekko zredukowanym tlenkiem grafenu jako materiał katodowy do baterii litowo-siarkowych, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng i Y. Cui, Nanostructured sulphur cathodes, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): str. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, Z.W. Seh, H. Yao i Y. Cui, Zrozumienie roli różnych polimerów przewodzących w poprawie wydajności nanostrukturalnej katody siarkowej, Nano Letters, 2013. 13 (11): str. 5534-5540.