Det är en paradox, men trots den enorma vägen som elektronik har gjort under de senaste 30 åren är alla mobila enheter fortfarande utrustade med litiumjonbatterier, som kom in på marknaden redan 1991, då den vanliga CD-spelaren var höjdpunkten i teknik inom bärbar teknik.
Många användbara egenskaper hos nya prover inom elektronik och prylar utjämnas av den obekväma tiden för strömförsörjning av dessa enheter från ett mobilbatteri. Vetenskaplig tvål och uppfinnar skulle ha gått framåt för länge sedan, men de hålls i batteriets "ankar".
Låt oss ta en titt på vilka tekniker som kan förvandla elektronikvärlden i framtiden.
Först lite historia
Oftast används litiumjonbatterier (Li-ion) i mobila enheter (bärbara datorer, mobiltelefoner, handdatorer och andra). Detta beror på deras fördelar jämfört med de tidigare allmänt använda nickel-metallhydrid (Ni-MH) och nickel-kadmium (Ni-Cd) -batterierna.
Li-ion-batterier har mycket bättre parametrar. Man bör dock komma ihåg att Ni-Cd-batterier har en viktig fördel: förmågan att ge höga urladdningsströmmar. Den här egenskapen är inte kritiskt viktig när du bär på bärbara datorer eller mobiltelefoner (där Li-ion-andelen når 80% och deras andel blir mer och mer), men det finns många enheter som förbrukar höga strömmar, till exempel alla typer av elverktyg, elektriska rakapparater, etc. P. Fram till nu har dessa enheter nästan uteslutande domänen för Ni-Cd-batterier. Men för närvarande, särskilt i samband med begränsningen av användningen av kadmium i enlighet med RoHS-direktivet, har forskningen om skapandet av kadmiumfria batterier med hög urladdningsström intensifierats.
Kampanjvideo:
Primära celler ("batterier") med en litiumanod dök upp i början av 70-talet av 1900-talet och hittade snabbt tillämpning på grund av deras höga specifika energi och andra fördelar. Således realiserades den långvariga önskan att skapa en kemisk strömkälla med det mest aktiva reduktionsmedlet, en alkalimetall, vilket gjorde det möjligt att dramatiskt öka både batteriets driftspänning och dess specifika energi. Om utvecklingen av primära celler med en litiumanod krönades med relativt snabb framgång och sådana celler fast placerade sin plats som strömförsörjning för bärbar utrustning, fick skapandet av litiumbatterier grundläggande svårigheter, vilket tog mer än 20 år att övervinna.
Efter en hel del testning under 1980-talet visade det sig att problemet med litiumbatterier är tvinnat runt litiumelektroder. Mer exakt, kring litiums aktivitet: de processer som ägde rum under drift ledde till slut till en våldsam reaktion, kallad "ventilation med utsläpp av en flamma." 1991 återkallades ett stort antal litiumbatterier till tillverkningsanläggningarna, som användes för första gången som en strömkälla för mobiltelefoner. Anledningen - under en konversation, när den nuvarande förbrukningen är högst, släpptes en låga från batteriet och brände mobiltelefonanvändarens ansikte.
På grund av instabiliteten i metalliskt litium, särskilt under laddning, har forskningen flyttat till området för att skapa ett batteri utan att använda Li, men med dess joner. Även om litiumjonbatterier ger en marginellt lägre energitäthet än litiumbatterier, är Li-ion-batterier säkra när de har rätt laddnings- och urladdningsförhållanden. Men de är inte immuna mot explosioner.
Även i denna riktning, medan allt försöker utvecklas och inte stå stilla. Till exempel har forskare från Nanyang Technological University (Singapore) utvecklat en ny typ av litiumjonbatteri som har rekordstor prestanda. Först laddar den på 2 minuter till 70% av sin maximala kapacitet. För det andra har batteriet arbetat nästan utan nedbrytning i mer än 20 år.
Vad kan vi förvänta oss härnäst?
Natrium
Enligt många forskare är det denna alkalimetall som ska ersätta det dyra och sällsynta litiumet, som dessutom är kemiskt aktivt och brandfarligt. Funktionen av natriumbatterier liknar litium - de använder metalljoner för att överföra laddning.
I flera år har forskare från olika laboratorier och institut kämpat med nackdelarna med natriumteknologi, såsom långsam laddning och låga strömmar. Några av dem lyckades lösa problemet. Till exempel laddar förproduktionsproverna av BroadBit-batterier på fem minuter och har en och en halv till två gånger kapaciteten. Efter att ha fått flera priser i Europa, till exempel Innovation Radar Prize, Eureka Innovest Award och flera andra, fortsatte företaget till certifiering, fabrikskonstruktion och att få patent.
grafen
Grafen är ett platt kristallgitter av kolatomer en atom tjock. Tack vare dess enorma ytarea i en kompakt volym, som kan lagra laddning, är grafen en idealisk lösning för att skapa kompakta superkondensatorer.
Det finns redan experimentella modeller med en kapacitet på upp till 10 000 farader! En sådan superkapacitor skapades av Sunvault Energy i samarbete med Edison Power. Utvecklarna hävdar att de i framtiden kommer att presentera en modell, vars energi kommer att räcka för att driva hela huset.
Sådana superkondensatorer har många fördelar: möjligheten till en nästan omedelbar laddning, miljövänlighet, säkerhet, kompakthet och även låga kostnader. Tack vare den nya tekniken för att producera grafen, i likhet med utskrift på en 3D-skrivare, lovar Sunvault kostnaden för batterier nästan tio gånger mindre än för litiumjonteknologier. Industriproduktionen är dock fortfarande långt borta.
Sanvault har också konkurrenter. En grupp forskare från University of Swinburn, Australien, presenterade också en grafen-superkapacitor, som har en kapacitet som kan jämföras med litiumjonbatterier. Det kan laddas på några sekunder. Dessutom är den flexibel, vilket gör att den kan användas i enheter med olika formfaktorer och även i smarta kläder.
Atombatterier
Kärnbatterier är fortfarande mycket dyra. Inom en snar framtid kommer de inte att kunna tävla med de bekanta litiumjonbatterierna, men vi kan inte låta bli att nämna dem, eftersom källor som kontinuerligt har genererat energi i 50 år är mycket mer intressanta än laddningsbara batterier.
Deras funktionsprincip på något sätt liknar driften av solceller, bara i stället för solen är energikällan i dem isotoper med betastrålning, som sedan absorberas av halvledarelement.
Till skillnad från gammastrålning är betastrålning praktiskt taget ofarlig. Det är en ström av laddade partiklar och är lätt skärmade av tunna lager av specialmaterial. Det absorberas också aktivt av luften.
Idag genomförs utvecklingen av sådana batterier på många institut. I Ryssland tillkännagav NUST MISIS, MIPT och NPO Luch sitt gemensamma arbete i denna riktning. Tidigare lanserades ett liknande projekt av Tomsk Polytechnic University. I båda projekten är huvudsubstansen nickel-63, erhållen genom neutronbestrålning av nickel-62-isotopen i en kärnreaktor med ytterligare radiokemisk bearbetning och separering i gascentrifuger. Den första prototypen på batteriet borde vara klar 2017.
Dessa beta-voltaiska kraftförsörjningar är emellertid låg effekt och extremt dyra. Vid en rysk utveckling kan den uppskattade kostnaden för en miniatyrströmkälla vara upp till 4,5 miljoner rubel.
Atomkraftförsörjning baserad på tritium NanoTritium från City Labs.
Nickel-63 har också konkurrenter. Exempelvis har universitetet i Missouri experimenterat med strontium-90 under lång tid, och miniatyr beta-voltaiska batterier baserade på tritium finns kommersiellt. Till ett pris i tusen dollar kan de driva olika pacemaker, sensorer eller kompensera för självutladdning av litiumjonbatterier.
Lysande nyckelring med tritium.
Experter är lugna för tillfället
Trots inställningen till massproduktion av de första natriumbatterierna och aktivt arbete med grafenströmförsörjning, förutspår inte experter i branschen några revolutioner de närmaste åren.
Företaget Liteko, som verkar under Rusnanos vinge och producerar litiumjonbatterier i Ryssland, anser att det ännu inte finns några skäl för en avmattning av marknadstillväxten.”Den ständiga efterfrågan på litiumjonbatterier beror främst på deras höga specifika energi (lagras per enhet eller massa). Enligt denna parameter har de inga konkurrenter bland de laddningsbara kemiska kraftkällor som produceras i serie just nu,”kommenterar företaget.
När det gäller kommersiella framgångar för samma BroadBit-natriumbatterier kan marknaden emellertid omformateras inom några år. Om inte ägarna och aktieägarna vill tjäna mycket pengar på den nya tekniken.
