Futurologija 1.1: Manjše baterije večje zmogljivosti so bližje kot kdaj koli prej

Na začetku leta v naši Futurologija pametnih telefonov serije, mi razpravljali tehnologija, ki stoji za baterijo v pametnih telefonih, in kaj bo v prihodnosti. Ta članek je hitra posodobitev tega članka, ki obravnava nekatere nedavne dosežke na področju baterij na osnovi litijeve kemije - na primer tistih, ki poganjajo veliko večino pametnih telefonov.

Podrobneje si bomo ogledali, kaj sčasoma zmanjšuje življenjsko dobo baterije vašega telefona in kako zmogljivo je tehnologije, kot so litij žveplove baterije in litijeve kovinske anode, so bližje kot kdaj koli prej praktično. Pridružite se nam po odmoru.

Preberite več: Najnovejši dosežki v tehnologiji baterij telefona

Zasluga za sliko: Skupni center za raziskave shranjevanja energije

Skupini, ki jo je vodil Skupni center za raziskave shranjevanja energije v ZDA, je uspelo zbrati dokaze o procesih propadanja litijevih baterij skozi čas^[1]. V svojem prvotnem članku sem omenil dendritične (veje kot drevo) izrastke na litijevih kovinskih anodah, ki so sčasoma zmanjšale zmogljivost baterije.

Nalaganje litijeve kovine na Li-po elektrodi skozi čas
Kredit: Skupni center za raziskave shranjevanja energije

Skupina je razvila novo metodo z uporabo STEM (skenirajoča prenosna elektronska mikroskopija - metoda za analiziranje neverjetno majhnih struktur) za opazovanje teh usedlin v litij-polimerni bateriji čas.

Anoda litijeve baterije je tista, ki določa skupno zmogljivost in ti izrastki motijo, kako učinkovito lahko anoda shrani litijeve ione in s tem zmanjša kapaciteto baterije. Pokazalo se je tudi, da so lahko ti dendritični izrastki litijeve kovine nevarni in povzročajo notranje okvare, ki vodijo do balona ali celo hujšega eksplozije^[2].

S temi prodornimi sposobnostmi opazovanja takšnih procesov je ekipa lahko določila dejavnike, ki nadzorujejo te rasti, ki bodo raziskovalcem na terenu pomagale izboljšati dolgoživost in varnost komercialnih litijevih izdelkov baterije.

Zasluga za sliko: Kalifornijska univerza

Število objavljenih člankov o tehnologiji litijevega žvepla se je dramatično povečalo, kot smo že pojasnili ta tehnologija je naslednja ponovitev tehnologije litijeve baterije, ki nadomešča splošno sprejeti litijev polimer celic. Če želite povzeti:

Litij-žveplo je izjemno privlačna zamenjava za sedanje tehnologije, saj je enako enostavno izdelati in ima večjo polnilno zmogljivost. Še bolje, ne potrebuje zelo hlapnih topil, ki drastično zmanjšajo nevarnost požara zaradi kratkega stika in predrtja.

Več o litijevem žveplu in drugih tehnologijah akumulatorjev v prihodnosti

Pred kratkim je skupina z univerze v Kaliforniji rešila eno od vprašanj, povezanih s kemijo litijevega žvepla, in prejšnji mesec objavila prispevek o tem^[3].

Ko se rešujejo težave z dolgo življenjsko dobo baterij Li-S, tehnologija napreduje in postane praktična resničnost.

Med kemičnimi reakcijami, ki se pojavijo v postopkih naboja in praznjenja, nastanejo polisulfidne verige. Te verige morajo teči skozi elektrolit nedotaknjen in prav v tem je težava, polisulfid se včasih lahko raztopi v raztopini^{[4, 5]} in močno vpliva na življenjsko dobo baterije.

Skupina je razvila metodo prevleke teh polisulfidov v nanosfere s tanko plastjo silicijevega dioksida (v bistvu steklo), ki zadržuje polisulfid stran od elektrolita, medtem ko se lahko skozi njega enostavno premika med elektrode. Številne prizadevne raziskovalne skupine nenehno rešujejo takšna vprašanja, zato se prihodnost litij-žveplenih baterij v naših telefonih vsak dan bliža.

Zasluga za sliko: SolidEnergy sistemi

Če se spomnite iz članka o futurologiji baterij, sem omenil, kako je uporaba litijeve kovine kot anode "sveti gral" anodnih materialov zaradi dodatne zmogljivosti, ki jo prinašajo.

SolidEnergy Systems Corp. so pokazali svojo "brez anod" litijevo baterijo, ki v bistvu nadomešča običajne grafitne in sestavljene anode s tanko litijevo kovinsko anodo. Trdijo, da podvojijo energijsko gostoto v primerjavi z grafitno anodo in 50% v primerjavi s silicijevo kompozitno anodo.

Najnovejše "brezanodne" baterije trdijo, da podvojijo energijsko gostoto tistega, kar je zdaj v vašem telefonu.

Zgornja slika, ki jo je objavila SolidEnergy, pomaga pokazati drastično zmanjšanje velikosti, čeprav naj omenim, da je nekoliko zavajajoča. Tako bateriji Xiaomi kot Samsung sta zamenljivi, zato bi imeli dodatno plastiko lupino in dodatno elektroniko, kot je polnilno vezje ali celo (v nekaterih Samsungovih baterijah) NFC antena.

Kljub temu pa lahko vidite znatno razliko v velikosti med iPhone-jevo 1,8 Ah notranjo baterijo in 2,0 Ah SolidEnergy baterijo v poročilo BBC-ja.

Z vodilnimi telefoni več proizvajalcev - tudi Samsungov Galaxy S6 in Appleov iPhone 6 - potiskanje tanjših oblik postaja potreba po gostejših baterijah še večja. Če napolnite več akumulatorja na manjše območje, se odpira tudi možnost večdnevne uporabe večjih prenosnih aparatov v stilu phablet, hkrati pa zagotavlja več soka za procesorji prihodnosti, željni moči.

Gledamo v prihodnost, kjer se bomo lažje kot kdaj koli prej izognili strašljivo odmrli bateriji pametnega telefona.

Ko gre za litij-žveplene baterije, zmanjšano tveganje požara zaradi kratkega stika ali prebadanja bi morale biti naše naprave varnejše za uporabo in manj nevarne (in drage) za proizvajalce za prevoz.

Združite to z nedavnim napredkom pri hitrejšem polnjenju in rast brezžičnega polnjenja v zadnjih letih in gledamo v prihodnost, kjer se bomo lažje kot kdaj koli prej izognili prazni bateriji pametnega telefona.

Kdaj bomo torej začeli opazovati, da bodo te nove tehnologije na voljo? SolidEnergy ocenjuje, da se bo njegova "neanodna" rešitev pojavila na trgu leta 2016, podoben časovni razpored pa iščemo tudi za Li-S baterije, glede na nedavni razvoj te tehnologije. To še ne pomeni, da bodo v naslednjem letu pošiljali dejanske mobilne naprave - kljub temu pa revolucija v baterijski tehnologiji, ki smo jo vsi čakali, ne more biti daleč.

Več futurologije: preberite o prihodnosti tehnologije pametnih telefonov

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 in N.D. Browning, opazovanje in kvantifikacija procesov v nanometru v litijevih baterijah s strani Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): str. 2168-2173.
2. G. Zheng, S.W. Lee, Z. Liang, H.-W. Por. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu in Y. Cui, Medsebojno povezane votle ogljikove nanosfere za stabilne litijeve kovinske anode, Nat Nano, 2014. 9 (8): str. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Zaliv Hosseini, Z. Naklonjen, R. Ionescu, C. S. Ozkan in M. Ozkan, delci žvepla, prevlečeni s SiO2, z rahlo reduciranim grafenovim oksidom kot katodni material za litij-žveplene baterije, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng in Y. Cui, Nanostrukturirane žveplove katode, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): str. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, Z.W. Seh, H. Yao in Y. Cui, Razumevanje vloge različnih prevodnih polimerov pri izboljšanju zmogljivosti nanostrukturirane žveplove katode, Nano Letters, 2013. 13 (11): str. 5534-5540.