Еще в начале года в нашем Смартфон Futurology серия, мы обсуждали технологии, лежащие в основе аккумуляторов в смартфонах, и что нас ждет в будущем. Эта статья представляет собой быстрое обновление этой статьи, в ней рассматриваются некоторые из последних разработок в области батарей на основе химического состава лития, например, те, которые используются в подавляющем большинстве смартфонов.
Мы подробнее рассмотрим, что со временем сокращает время автономной работы вашего телефона и насколько высокая емкость такие технологии, как литиево-серные батареи и литий-металлические аноды, как никогда близки к тому, чтобы стать практичный. Присоединяйтесь к нам после перерыва.
Подробнее: последние достижения в области аккумуляторных батарей для телефонов
Почему емкость аккумулятора со временем уменьшается
Изображение предоставлено: Объединенный центр исследований накопителей энергии
Группе, возглавляемой Объединенным центром исследований в области накопления энергии в США, удалось собрать доказательства процессов, лежащих в основе износа литиевых батарей с течением времени.
[1]. В своей исходной статье я упоминал о дендритных (разветвленных, как дерево) наростах на литиевых металлических анодах, которые со временем уменьшают емкость батареи.Verizon предлагает Pixel 4a всего за 10 долларов в месяц на новых безлимитных линиях
Осаждение металлического лития на Li-po электрод с течением времени
Кредит: Объединенный центр исследований накопителей энергии
Команда разработала новый метод с использованием STEM (сканирующая просвечивающая электронная микроскопия - метод для анализируя невероятно маленькие структуры), чтобы наблюдать эти отложения в литий-полимерной батарее над время.
Анод литиевой батареи определяет общую емкость, и эти разрастания влияют на то, насколько эффективно анод может накапливать ионы лития, и, таким образом, уменьшают емкость батареи. Также было показано, что эти дендритные разрастания металлического лития могут быть опасными и вызывать внутренние сбои, которые приводят к вздутию батареи или, что еще хуже, к взрыву.[2].
Обладая этими передовыми способностями к наблюдению за такими процессами, команда смогла определить факторы, которые контролируют эти наросты, которые помогут исследователям в этой области повысить долговечность и безопасность коммерческих литиевых продуктов. батареи.
Улучшение литий-серы
Изображение предоставлено: Калифорнийский университет
Резко увеличилось количество опубликованных статей по технологии литий-серы, и, как объяснялось ранее, эта технология рассматривается как следующая итерация в технологии литиевых батарей, заменяющая широко распространенный литиевый полимер. клетки. Резюмируем:
Литий-сера является чрезвычайно привлекательной заменой существующим технологиям, поскольку ее так же легко производить, она имеет более высокую зарядную способность. Более того, для этого не требуются легколетучие растворители, которые резко снижают риск возгорания из-за коротких замыканий и проколов.
Подробнее о литий-серных и других технологиях батарей будущего
Недавно группа из Калифорнийского университета решила одну из проблем, связанных с химией лития и серы, опубликовав в прошлом месяце статью об этом.[3].
По мере того как решаются проблемы с долговечностью Li-S батарей, технология становится все более реальной.
В ходе химических реакций, протекающих в процессах заряда и разряда, образуются полисульфидные цепи. Эти цепи должны протекать через электролит в неповрежденном виде, и в этом заключается проблема, полисульфид иногда может растворяться в растворе.[4, 5] и значительно снижает срок службы батареи.
Группа разработала метод покрытия этих полисульфидов в наносферы с использованием тонкого слоя диоксида кремния (по существу стекло), который удерживает полисульфид вдали от электролита, в то же время имея возможность легко перемещаться через него между электроды. Поскольку подобные проблемы постоянно решаются многочисленными трудолюбивыми исследовательскими группами, будущее литий-серных батарей в наших телефонах приближается с каждым днем.
Литий-металлические аноды в стадии реализации
Изображение предоставлено: Системы SolidEnergy
Если вы помните из статьи о футурологии аккумуляторов, я упоминал, что возможность использовать металлический литий в качестве анода является «святым Граалем» анодных материалов из-за их дополнительной емкости.
SolidEnergy Systems Corp. продемонстрировали свою «безанодную» литиевую батарею, которая по существу заменяет обычные графитовые и композитные аноды тонким анодом из металлического лития. Они заявляют, что удвоение плотности энергии по сравнению с графитовым анодом и на 50% по сравнению с кремниевым композитным анодом.
Последние «безанодные» батареи заявляют, что удваивают плотность энергии, которая сейчас находится в вашем телефоне.
Изображение выше, опубликованное SolidEnergy, помогает показать резкое уменьшение размера, хотя я должен упомянуть, что это немного вводит в заблуждение. Батареи Xiaomi и Samsung предназначены для замены, поэтому у них будет дополнительный пластик. корпус и дополнительная электроника, такая как цепь зарядки или даже (в некоторых аккумуляторах Samsung) NFC антенна.
Однако, сказав это, вы можете увидеть существенную разницу в размере между внутренней батареей iPhone 1,8 Ач и аккумулятором SolidEnergy 2,0 Ач в репортаж BBC.
Что все это значит
С флагманскими телефонами нескольких производителей, включая Samsung Galaxy S6 а также Apple iPhone 6 - стремясь к более тонким конструкциям, потребность в более плотных батареях становится еще больше. Помещение большего заряда батареи в меньшую область также открывает возможность использования нескольких дней использования больших телефонов в стиле "фаблет", обеспечивая при этом больше заряда для энергоемкие процессоры будущего.
Мы смотрим в будущее, в котором будет проще, чем когда-либо, избежать ужасно разряженной батареи смартфона.
А когда дело доходит до литий-серных батарей, снижается риск возгорания из-за короткого замыкания или прокола. должны сделать наши устройства более безопасными в использовании и менее опасными (и дорогостоящими) для производителей при транспортировке.
Совместите это с недавним прогрессом в области более быстрой зарядки и рост беспроводной зарядки в последние годы, и мы смотрим в будущее, в котором будет проще, чем когда-либо, избежать разрядки аккумулятора смартфона.
Итак, когда мы увидим, что эти новые технологии становятся доступными? По оценкам SolidEnergy, ее «безанодное» решение выйдет на рынок в 2016 году, и мы смотрим на аналогичный график и для Li-S батарей, учитывая недавние разработки в этой области. Это не значит, что в следующем году они появятся в реальных мобильных устройствах - тем не менее, революция в аккумуляторных технологиях, которую мы все ждали, не за горами.
Подробнее Futurology: прочтите о будущем технологий для смартфонов
Ссылки
- Б.Л. Мехди, Дж. Цянь, Э. Насыбулин, С. Парк, Д.А. Уэлч, Р. Фаллер, Х. Мехта, В.А.Хендерсон, В. Сюй, К. Ван, Дж. Эванс, Дж. Лю, Дж. Чжан, К. Мюллер, Н.Д. Браунинг, Наблюдение и количественная оценка наноразмерных процессов в литиевых батареях с помощью Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): с. 2168-2173.
- ГРАММ. Чжэн, С. Ли, З. Лян, Х.-В. Лук-порей. Ян, Х. Яо, Х. Ван, В. Ли, С. Чу, Ю. Цуй, Связанные между собой полые углеродные наносферы для стабильных анодов из металлического лития, Nat Nano, 2014. 9 (8): с. 618-623.
- Б. Кэмпбелл, Дж. Белл, Х. Хоссейни Бэй, З. Сувениры, Р. Ионеску, К.С.Озкан, М. Озкан, Покрытые SiO2 частицы серы с умеренно восстановленным оксидом графена в качестве катодного материала для литий-серных батарей, Nanoscale, 2015.
- Ю. Ян, Г. Чжэн, Ю. Цуй, Наноструктурированные серные катоды, Обзоры химического общества, 2013. 42 (7): с. 3018-3032.
- W. Ли, К. Чжан, Г. Чжэн, З.В. Сех, Х. Яо и Ю. Цуй, Понимание роли различных проводящих полимеров в улучшении характеристик наноструктурированного серного катода, Nano Letters, 2013. 13 (11): с. 5534-5540.