Futurologija 1.1: manjše baterije z večjo zmogljivostjo so bližje kot kdajkoli prej

Na začetku leta smo v naši seriji Futurology Smartphone razpravljali o tehnologiji za baterijo v pametnih telefonih in o prihodnosti. Ta članek je hitra posodobitev tega dela, ki prikazuje nekaj zadnjih dogodkov na področju baterij, ki temeljijo na litijevi kemiji - kot tiste, ki napajajo veliko večino pametnih telefonov.

Podrobneje si bomo ogledali, kaj sčasoma skrajša življenjsko dobo vašega telefona in kako so tehnologije z visoko zmogljivostjo, kot so litijeve žveplove baterije in litijeve kovinske anode, bližje kot kdaj koli prej. Pridružite se nam po odmoru.

: Najnovejši preboj tehnologije baterij telefona

Zakaj se zmogljivost baterije sčasoma zmanjšuje

Kreditna slika: Skupni center za raziskovanje skladišč energije

Skupini, ki jo je vodil Skupni center za raziskovanje skladiščenja energije v ZDA, je uspelo zbrati dokaze o procesih propadanja litijevih baterij sčasoma . V svojem prvotnem članku sem omenil dendritične (razvejane kot drevo) rast litijeve kovinske anode sčasoma in tako zmanjšal kapaciteto baterije.

Nalaganje litijeve kovine na Li-po elektrodi sčasoma

Kredit: Skupni center za raziskovanje skladišč energije

Skupina je razvila novo metodo z uporabo STEM (skeniranje prenosne elektronske mikroskopije - metoda za analizo neverjetno majhnih struktur) za opazovanje teh usedlin v litijeve polimerni bateriji skozi čas.

Anoda litijeve baterije je tisto, kar določa skupno zmogljivost, in te rasti motijo, kako uspešna je anoda, da shrani litijeve ione in tako zmanjša njeno zmogljivost. Pokazalo se je tudi, da so lahko ta dendritični izrastki litijeve kovine nevarni in povzročijo notranje okvare, ki vodijo do balona v balonu ali še huje, eksplodirajo .

S temi prebojnimi sposobnostmi opazovanja takšnih procesov je ekipa uspela določiti dejavnike, ki nadzorujejo te rasti, kar bo raziskovalcem na tem področju pomagalo izboljšati dolgo življenjsko dobo in varnost komercialnih litijevih baterij.

Izboljšave litij-žvepla

Kreditna slika: University of California

Število objavljenih prispevkov o tehnologiji litijevega žvepla se je močno povečalo, in kot smo že pojasnili, je tehnologija obravnavana kot naslednja ponovitev tehnologije litijeve baterije, ki nadomešča široko sprejete litijeve polimerne celice. Če povzamem:

Litij-žveplo je izjemno privlačna zamenjava za sedanje tehnologije, saj je prav tako enostavno izdelati, ima večjo polnilno zmogljivost. Še bolje, da ne zahtevajo zelo hlapnih topil, ki drastično zmanjšajo nevarnost požara zaradi krajšanja in prebijanja.

Več o litij-žveplu in drugih tehnologijah baterij v prihodnosti

Pred kratkim je skupina z univerze v Kaliforniji rešila eno od vprašanj, povezanih s kemijo litij-žvepla, in prejšnji mesec objavila prispevek o tem .

Ko se težave z dolgo življenjsko dobo Li-S baterij rešujejo, tehnologija napreduje naprej k praktični resničnosti.

Med kemičnimi reakcijami, ki se pojavljajo v naboju in praznjenju, nastajajo polisulfidne verige. Te verige morajo teči skozi elektrolit nepoškodovane in tu leži vprašanje, polisulfid se lahko včasih raztopi v raztopini in močno vpliva na dolgo življenjsko dobo akumulatorja.

Skupina je razvila metodo prevleke teh polisulfidov v nanosfere s tanko plastjo silicijevega dioksida (v bistvu stekla), ki polisulfid drži stran od elektrolita, hkrati pa se lahko zlahka premika skozi njega med elektrodama. Ker vprašanja, kot jih je ta, nenehno rešujejo številne delovne raziskovalne skupine, se prihodnost litij-žveplovih baterij na naših telefonih vsak dan bliža.

Litijeve kovinske anode se uresničijo

Kreditna slika: SolidEnergy Systems

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

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

Najnovejše baterije brez anodeov trdijo, da podvojijo gostoto energije trenutno v vašem telefonu.

Zgornja slika, ki jo je objavil SolidEnergy, pomaga pokazati drastično zmanjšanje velikosti, čeprav naj omenim, da je nekoliko zavajajoč. Tako baterije Xiaomi kot Samsung sta zasnovani tako, da sta zamenljivi, zato bi imeli dodatno plastično lupino in dodatno elektroniko, na primer polnilni vezje ali celo (v nekaterih Samsungovih baterijah) anteno NFC.

Kljub temu pa lahko v BBC-jevem poročilu za BBC opazite bistveno razliko v velikosti med iPhone-jevo 1.8 Ah notranjo baterijo in 2.0 Ah SolidEnergy baterijo.

Kaj vse to pomeni

Z več vodilnimi proizvajalci telefonov - vključno s Samsungovim Galaxyjem S6 in Applovim iPhoneom 6 -, ki si prizadevajo za tanjše zasnove, so potrebe po gostejših baterijah še večje. Z večjo močjo akumulatorja na manjše območje se odpira tudi možnost večdnevne uporabe večjih telefonov v slogu "phablet", hkrati pa zagotavlja več soka za bodoče procesorje v prihodnosti.

Gledamo v prihodnost, kjer se bomo lažje kot kdajkoli prej izognili strašljivi mrtvi bateriji pametnega telefona.

Kar zadeva litij-žveplove baterije, bi morala zmanjšana nevarnost požara zaradi krajšanja ali prebijanja narediti naše naprave varnejše za uporabo in manj nevarne (in drage) za prevoznike.

Združite to z nedavnim napredkom v smeri hitrejšega polnjenja in rasti brezžičnega polnjenja v zadnjih letih in gledamo v prihodnost, kjer se bomo lažje kot kdaj koli prej izognili mrtvi bateriji pametnega telefona.

Kdaj bomo torej videli, da bodo te nove tehnologije postale na voljo? SolidEnergy ocenjuje, da bo njegova "brezvodna" rešitev prišla na trg leta 2016, glede na nedavna dogajanja v tej tehnologiji pa gledamo na podoben časovni razpored tudi za Li-S baterije. To ne pomeni, da bodo v naslednjem letu pošiljali dejanske mobilne naprave - kljub temu pa revolucija v baterijski tehnologiji, na katero smo vsi čakali, ne more biti daleč.

Več Futurologija: Preberite o prihodnosti tehnologije pametnih telefonov

Reference

1. BL Mehdi, J. Qian, E. Nasybulin, C. Park, DA Welch, R. Faller, H. Mehta, WA Henderson, W. Xu, CM Wang, JE Evans, J. Liu, JG Zhang, KT Mueller in ND Browning, opazovanje in količinsko določanje nanosoklesnih procesov v litijevih baterijah z operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): str. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu in Y. Cui, medsebojno povezani votli ogljikovi nanosferi za stabilne litijeve kovinske anode, Nat Nano, 2014. 9 (8): str. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan in M. Ozkan, žvepleni delci, prevlečeni z SiO2, z blago reduciranim grafenskim oksidom kot katodnim materialom za litij-žveplove baterije, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng in Y. Cui, Nanostrukturne žveplove katode, Revizija kemijske družbe, 2013. 42 (7): str. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao in Y. Cui, Razumevanje vloge različnih prevodnih polimerov pri izboljšanju učinkovitosti nanostrukturirane katode žvepla, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.