Det er et paradoks, men til tross for den enorme veien som elektronikk har gått de siste 30 årene, er alle mobile enheter fremdeles utstyrt med litium-ion-batterier, som kom inn i markedet allerede i 1991, da den vanlige CD-spilleren var høydepunktet for teknikk innen bærbar teknologi.
Mange nyttige egenskaper for nye prøver innen elektronikk og dingser blir jevnet med den knappe strømforsyningen til disse enhetene fra et mobilbatteri. Vitenskapelig såpe og oppfinnere ville ha kommet frem for lenge siden, men de blir holdt av "ankeret" på batteriet.
La oss ta en titt på hvilke teknologier som kan transformere elektronikkverdenen i fremtiden.
For det første litt historie
Oftest brukes litium-ion (Li-ion) -batterier i mobile enheter (bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, PDAer og andre). Dette skyldes fordelene i forhold til de tidligere mye brukte nikkel-metallhydrid (Ni-MH) og nikkel-kadmium (Ni-Cd) -batteriene.
Li-ion-batterier har mye bedre parametere. Det må imidlertid tas i betraktning at Ni-Cd-batterier har en viktig fordel: muligheten til å gi høye utladningsstrømmer. Denne egenskapen er ikke kritisk viktig når du kobler til bærbare datamaskiner eller mobiltelefoner (der andelen Li-ion når 80% og deres andel blir mer og mer), men det er mange enheter som bruker høye strømmer, for eksempel alle slags elektroverktøy, elektriske barbermaskiner, etc. P. Til nå har disse enhetene nesten utelukkende vært domenet til Ni-Cd-batterier. Imidlertid, for øyeblikket, spesielt i forbindelse med begrensningen i bruken av kadmium i samsvar med RoHS-direktivet, har forskningen på å lage kadmiumfrie batterier med høy utladningsstrøm blitt intensivert.
Salgsfremmende video:
Primære celler ("batterier") med en litiumanode dukket opp på begynnelsen av 70-tallet av 1900-tallet og fant raskt anvendelse på grunn av deres høye spesifikke energi og andre fordeler. Dermed ble det langvarige ønske om å skape en kjemisk strømkilde med det mest aktive reduksjonsmiddel, et alkalimetall, realisert, noe som gjorde det mulig å øke både driftsspenningen til batteriet og dets spesifikke energi. Hvis utviklingen av primære celler med en litiumanode ble kronet med relativt rask suksess og slike celler godt inntok sin plass som kraftkilder for bærbart utstyr, løp dannelsen av litiumbatterier i grunnleggende vanskeligheter, som det tok mer enn 20 år å overvinne.
Etter mye testing gjennom 1980-tallet viste det seg at problemet med litiumbatterier er vridd rundt litiumelektroder. Mer presist, rundt aktiviteten til litium: prosessene som fant sted under drift, til slutt førte til en voldsom reaksjon, kalt "ventilasjon med utslipp av en flamme." I 1991 ble et stort antall litiumbatterier tilbakekalt til produksjonsanleggene, som ble brukt for første gang som strømkilde for mobiltelefoner. Årsaken - under en samtale, når strømforbruket er maksimalt, ble det sendt ut en flamme fra batteriet og brent ansiktet til mobiltelefonbrukeren.
På grunn av ustabiliteten i metallisk litium, spesielt under lading, har forskningen flyttet til feltet for å lage et batteri uten bruk av Li, men ved å bruke dets ioner. Selv om litium-ion-batterier gir en litt lavere energitetthet enn litium-batterier, er Li-ion-batterier trygge når de er utstyrt med riktige lade- og utladningsforhold. De er imidlertid ikke immun mot eksplosjoner.
Også i denne retningen, mens alt prøver å utvikle seg og ikke stå stille. For eksempel har forskere fra Nanyang Technological University (Singapore) utviklet en ny type litium-ion-batteri som har rekordstore ytelser. For det første lader den på 2 minutter til 70% av sin maksimale kapasitet. For det andre har batteriet arbeidet nesten uten forringelse i mer enn 20 år.
Hva kan vi forvente videre?
natrium
Ifølge mange forskere er det dette alkalimetallet som skal erstatte det dyre og sjeldne litiumet, som dessuten er kjemisk aktivt og brannfarlig. Prinsippet om drift av natriumbatterier ligner det litium - de bruker metallioner for å overføre lading.
I årevis har forskere fra forskjellige laboratorier og institutter slitt med ulempene med natriumteknologi, som langsom lading og lave strømmer. Noen av dem klarte å løse problemet. For eksempel lader forproduksjonsprøvene av BroadBit-batterier på fem minutter og har en og en halv til to ganger kapasiteten. Etter å ha mottatt flere priser i Europa, for eksempel Innovation Radar Prize, Eureka Innovest Award og flere andre, gikk selskapet videre til sertifisering, fabrikkbygging og innhenting av patenter.
graphene
Grafen er en flat krystallgitter av karbonatomer som er et tykt atom. Takket være det enorme overflaten i et kompakt volum, som er i stand til å lagre lading, er grafen en ideell løsning for å lage kompakte superkapasitorer.
Det finnes allerede eksperimentelle modeller med en kapasitet på opptil 10 000 farader! En slik superkapacitor ble opprettet av Sunvault Energy i samarbeid med Edison Power. Utviklerne hevder at de i fremtiden vil presentere en modell, hvis energi vil være nok til å drive hele huset.
Slike superkapsler har mange fordeler: muligheten for en nesten øyeblikkelig lading, miljøvennlighet, sikkerhet, kompakthet og også lave kostnader. Takket være den nye teknologien for å produsere grafen, i likhet med utskrift på en 3D-skriver, lover Sunvault kostnadene for batterier nesten ti ganger mindre enn for litium-ion-teknologier. Imidlertid er industriell produksjon fortsatt langt unna.
Sanvault har også konkurrenter. En gruppe forskere fra University of Swinburn, Australia, presenterte også en grafen-superkapacitor, som har en kapasitet som kan sammenlignes med litium-ion-batterier. Det kan lades om noen sekunder. I tillegg er den fleksibel, noe som gjør at den kan brukes i enheter med forskjellige formfaktorer, og til og med i smarte klær.
Atombatterier
Atombatterier er fremdeles veldig dyre. I løpet av en nær fremtid vil de ikke kunne konkurrere med de kjente litium-ion-batteriene, men vi kan ikke unnlate å nevne dem, fordi kilder som kontinuerlig har produsert energi i 50 år er mye mer interessante enn oppladbare batterier.
Driftsprinsippet deres, på en måte, ligner driften av solceller, bare i stedet for solen, er energikilden i dem isotoper med betastråling, som deretter blir absorbert av halvlederelementer.
I motsetning til gammastråling er betastråling praktisk talt ufarlig. Det er en strøm av ladede partikler og er lett skjermet av tynne lag med spesielle materialer. Den absorberes også aktivt av luften.
I dag gjennomføres utviklingen av slike batterier i mange institutter. I Russland kunngjorde NUST MISIS, MIPT og NPO Luch sitt felles arbeid i denne retningen. Tidligere ble et lignende prosjekt lansert av Tomsk Polytechnic University. I begge prosjekter er hovedstoffet nikkel-63, oppnådd ved nøytronbestråling av nikkel-62-isotopen i en kjernefysisk reaktor med videre radiokjemisk prosessering og separasjon i gassentrifuger. Den første prototypen på batteriet skal være klar i 2017.
Imidlertid er disse beta-voltaiske strømforsyningene lite strøm og ekstremt dyre. Når det gjelder en russisk utvikling, kan den estimerte kostnaden for en miniatyrkraftkilde være opptil 4,5 millioner rubler.
Atomkraftforsyning basert på tritium NanoTritium fra City Labs.
Nikkel-63 har også konkurrenter. For eksempel har University of Missouri eksperimentert med strontium-90 i lang tid, og miniatyr beta-voltaiske batterier basert på tritium kan finnes kommersielt. Til en pris i størrelsesorden tusen dollar er de i stand til å drive forskjellige pacemakere, sensorer eller kompensere for selvutladning av litium-ion-batterier.
Lysende nøkkelring med tritium.
Eksperter er rolige for nå
Til tross for tilnærmingen til masseproduksjon av de første natriumbatteriene og aktivt arbeid med grafenkraftforsyninger, spår ikke eksperter i industrien noen revolusjoner de neste årene.
Selskapet Liteko, som opererer under vingen til Rusnano og produserer litium-ion-batterier i Russland, mener at det ikke er noen grunner til en nedgang i markedsveksten ennå. “Den stadige etterspørselen etter litium-ion-batterier skyldes først og fremst den høye spesifikke energien (lagret per masseenhet eller volum). I følge denne parameteren har de ingen konkurrenter blant de ladbare kjemiske kraftkildene produsert i serie for øyeblikket,”kommenterer selskapet.
Når det gjelder kommersiell suksess med de samme BroadBit-natriumbatteriene, kan markedet imidlertid omformateres om noen år. Med mindre eierne og aksjonærene ønsker å tjene mye penger på den nye teknologien.
