Futurológia 1.1: Menšie batérie s vyššou kapacitou sú si bližšie ako kedykoľvek predtým

Späť na začiatku roka v našom Futurológia smartfónov série, my diskutovali technológia, ktorá stojí za batériou v smartfónoch, a to, čo príde v budúcnosti. Tento článok je rýchlou aktualizáciou tohto článku a zameriava sa na nedávny vývoj v oblasti batérií založených na lítiovej chémii - napríklad tie, ktoré poháňajú drvivú väčšinu smartfónov.

Pozrime sa podrobnejšie na to, čo v priebehu času znižuje výdrž batérie telefónu a ako veľkú kapacitu technológie ako lítiumsírové batérie a lítiové kovové anódy sú bližšie ako kedykoľvek predtým praktické. Pridajte sa k nám po prestávke.

Čítajte viac: Najnovšie objavy v oblasti technológie batérií telefónu

Obrázok kreditu: Spoločné centrum pre výskum skladovania energie

Skupine pod vedením Spoločného centra pre výskum skladovania energie v USA sa podarilo zhromaždiť dôkazy o procesoch, ktoré stoja za zhoršovaním stavu lítiových batérií v priebehu času^[1]. Vo svojom pôvodnom článku som spomenul dendritické (rozvetvené ako strom) výrastky na lítium-kovových anódach, ktoré časom znižovali kapacitu batérie.

Usadzovanie kovového lítia na Li-po elektróde v priebehu času
Úver: Spoločné centrum pre výskum skladovania energie

Tím vyvinul novú metódu pomocou STEM (skenovacia transmisná elektrónová mikroskopia - metóda pre (analyzovanie neuveriteľne malých štruktúr), aby bolo možné pozorovať tieto usadeniny v lítium-polymérovej batérii čas.

Celková kapacita závisí od anódy lítiovej batérie. Tieto výrastky narušujú, ako efektívne je anóda schopná ukladať lítiové ióny, a tým znižovať kapacitu batérie. Ukázalo sa tiež, že tieto dendritické výrastky kovového lítia môžu byť nebezpečné a spôsobiť vnútorné poruchy, ktoré vedú k vybuchnutiu batérie alebo ešte horšiemu výbuchu^[2].

Vďaka týmto prelomovým schopnostiam pozorovať tieto procesy bol tím schopný určiť faktory, ktoré ich ovplyvňujú Tieto výrastky pomôžu výskumníkom v tejto oblasti zvýšiť životnosť a bezpečnosť komerčného lítia batérie.

Obrázok kreditu: Kalifornská univerzita

Došlo k dramatickému nárastu počtu publikovaných prác o technológii lítium-síra a ako bolo vysvetlené vyššie táto technológia sa považuje za ďalšiu iteráciu v technológii lítiových batérií, ktorá nahradí široko používaný lítiový polymér bunky. Zrekapitulovať:

Lítium-síra je mimoriadne atraktívnou náhradou súčasných technológií, pretože sa rovnako ľahko vyrába a má vyššiu nabíjaciu kapacitu. Ešte lepšie je, že nevyžaduje vysoko prchavé rozpúšťadlá, ktoré drasticky znižujú riziko požiaru v dôsledku skratu a prepichnutia.

Viac informácií o lítium-síre a ďalších budúcich technológiách batérií

Nedávno skupina z Kalifornskej univerzity vyriešila jeden z problémov týkajúcich sa chémie lítia a síry, zverejnila o tom prácu minulý mesiac^[3].

Po vyriešení problémov s životnosťou batérií Li-S sa technológia posúva ďalej smerom k praktickej realite.

Počas chemických reakcií, ktoré prebiehajú v nabíjacích a vybíjacích procesoch, sa tvoria polysulfidové reťazce. Tieto reťazce musia pretekať neporušeným elektrolytom, a tu je problém, polysulfid sa môže niekedy rozpustiť v roztoku^{[4, 5]} a výrazne ovplyvňuje životnosť batérie.

Skupina vyvinula metódu nanášania týchto polysulfidov na nanosféry s použitím tenkej vrstvy oxidu kremičitého (v podstate sklo), ktoré udržuje polysulfid ďalej od elektrolytu a zároveň sa cez neho môže ľahko pohybovať medzi elektródy. Pretože problémy ako tieto neustále riešia početné pracovité výskumné skupiny, budúcnosť lítium-sírových batérií sa v našich telefónoch každým dňom približuje.

Obrázok kreditu: Systémy SolidEnergy

Ak si pamätáte z článku o futurológii batérií, spomenul som, ako možnosť použitia lítiového kovu ako anódy je „svätým grálom“ anódových materiálov kvôli ich extra kapacite, ktorú prinášajú.

SolidEnergy Systems Corp. predvádzali svoju „anódovú“ lítiovú batériu, ktorá v podstate nahrádza bežné grafitové a kompozitné anódy tenkou lítium-kovovou anódou. Tvrdia, že zdvojnásobujú hustotu energie v porovnaní s grafitovou anódou a 50% v porovnaní s kremíkovou kompozitnou anódou.

Najnovšie batérie typu „anodeless“ tvrdia, že dvojnásobne zvyšujú hustotu energie obsahu vášho telefónu.

Vyššie uvedený obrázok, ktorý zverejnila SolidEnergy, ukazuje drastické zmenšenie veľkosti, aj keď by som mal spomenúť, že je mierne zavádzajúci. Batérie Xiaomi aj Samsung sú navrhnuté tak, aby boli vymeniteľné, takže by mali ďalší plast shell a ďalšia elektronika, napríklad nabíjací obvod alebo dokonca (v niektorých batériách Samsung) NFC anténa.

Avšak napriek tomu môžete vidieť podstatný rozdiel medzi veľkosťou internej batérie iPhone 1,8 Ah a batérie 2,0 Ah SolidEnergy v spravodajská správa BBC.

S vlajkovými loďami niekoľkých výrobcov - vrátane Samsung Galaxy S6 a Apple iPhone 6 - smerom k tenším dizajnom sa potreba hustejších batérií ešte zvyšuje. Naplnenie energie batérie na menšiu oblasť tiež otvára možnosť získať niekoľkodňové používanie z väčších telefónov typu „phablet“ a zároveň poskytnúť viac šťavy pre energeticky nenáročné procesory budúcnosti.

Pozeráme sa na budúcnosť, v ktorej bude jednoduchšie ako nikdy predtým vyhnúť sa obávanej vybitej batérii smartfónu.

A pokiaľ ide o lítium-sírové batérie, znížené riziko požiaru v prípade skratu alebo prerazenia by naše zariadenia mali byť bezpečnejšie na používanie a pre výrobcov menej nebezpečné (a nákladné) na prepravu.

Spojte to s nedávnym pokrokom smerom k rýchlejšiemu nabíjaniu a nárast bezdrôtového nabíjania v posledných rokoch sa pozeráme na budúcnosť, v ktorej bude jednoduchšie ako nikdy predtým vyhnúť sa vybitej batérii smartfónu.

Kedy teda začneme vidieť sprístupnenie týchto nových technológií? Spoločnosť SolidEnergy odhaduje, že jej „anódové“ riešenie sa dostane na trh v roku 2016, a vzhľadom na nedávny vývoj v oblasti tejto technológie hľadáme podobný časový harmonogram aj pre batérie Li-S. To neznamená, že sa budú dodávať v skutočných mobilných zariadeniach v budúcom roku - revolúcia v technológii batérií, na ktorú sme všetci čakali, však nemôže byť ďaleko.

Viac futurológie: Prečítajte si o budúcnosti technológií pre smartphony

Referencie

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 a N.D. Browning, Pozorovanie a kvantifikácia procesov v nanorozmeroch v lítiových batériách, Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): s. 2168-2173.
2. G. Zheng, S.W. Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu a Y. Cui, Prepojené duté uhlíkové nanosféry pre stabilné anódy kovového lítia, Nat Nano, 2014. 9 (8): s. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, C.S. Ozkan a M. Ozkan, častice síry pokryté SiO2 s mierne redukovaným oxidom grafénu ako katódovým materiálom pre lítium-sírne batérie, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng a Y. Cui, Nanostrukturované sírové katódy, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): s. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, Z.W. Seh, H. Jao a Y. Cui, Pochopenie úlohy rôznych vodivých polymérov pri zlepšovaní výkonu nanostruktúrovanej sírovej katódy, Nano Letters, 2013. 13 (11): s. 5534-5540.