To paradoks, ale pomimo ogromnej ścieżki, jaką przeszła elektronika w ciągu ostatnich 30 lat, wszystkie urządzenia mobilne są nadal wyposażone w baterie litowo-jonowe, które weszły na rynek już w 1991 roku, kiedy zwykły odtwarzacz CD był szczytem inżynierii w technologii przenośnej.
Wiele przydatnych właściwości nowych próbek w elektronice i gadżetach niweluje skąpy czas zasilania tych urządzeń z przenośnej baterii. Mydło naukowe i wynalazcy zrobiliby krok naprzód dawno temu, ale trzymają ich „kotwica” baterii.
Przyjrzyjmy się, jakie technologie mogą zmienić świat elektroniki w przyszłości.
Najpierw trochę historii
Najczęściej akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) są stosowane w urządzeniach mobilnych (laptopach, telefonach komórkowych, PDA i innych). Wynika to z ich zalet w porównaniu z dotychczas szeroko stosowanymi akumulatorami niklowo-wodorkowymi (Ni-MH) i niklowo-kadmowymi (Ni-Cd).
Akumulatory litowo-jonowe mają znacznie lepsze parametry. Należy jednak pamiętać, że akumulatory Ni-Cd mają jedną ważną zaletę: możliwość zapewnienia wysokich prądów rozładowania. Właściwość ta nie ma krytycznego znaczenia przy zasilaniu laptopów czy telefonów komórkowych (gdzie udział Li-ion sięga 80% i ich udział jest coraz większy), ale jest wiele urządzeń pobierających duże prądy np. Wszelkiego rodzaju elektronarzędzia, golarki elektryczne itp. P. Do tej pory urządzenia te były prawie wyłącznie domeną akumulatorów Ni-Cd. Jednak obecnie, zwłaszcza w związku z ograniczeniem stosowania kadmu zgodnie z dyrektywą RoHS, zintensyfikowano badania nad stworzeniem akumulatorów bezkadmowych o wysokim prądzie rozładowania.
Film promocyjny:
Ogniwa pierwotne („baterie”) z anodą litową pojawiły się na początku lat 70. XX wieku i szybko znalazły zastosowanie ze względu na ich wysoką energię właściwą i inne zalety. W ten sposób zrealizowano wieloletnie pragnienie stworzenia źródła prądu chemicznego z najbardziej aktywnym środkiem redukującym, jakim jest metal alkaliczny, co pozwoliło radykalnie zwiększyć zarówno napięcie robocze akumulatora, jak i jego energię właściwą. Jeśli rozwój ogniw pierwotnych z anodą litową został uwieńczony stosunkowo szybkim sukcesem i takie ogniwa zdecydowanie zajęły swoje miejsce jako źródła zasilania urządzeń przenośnych, to stworzenie baterii litowych napotkało fundamentalne trudności, których pokonanie zajęło ponad 20 lat.
Po wielu testach przeprowadzonych w latach 80-tych okazało się, że problem baterii litowych obraca się wokół elektrod litowych. Mówiąc dokładniej, wokół aktywności litu: procesy, które miały miejsce podczas pracy, w końcu doprowadziły do gwałtownej reakcji, zwanej „wentylacją z emisją płomienia”. W 1991 r. Duża liczba baterii litowych została zwrócona do zakładów produkcyjnych, które po raz pierwszy zostały użyte jako źródło zasilania telefonów komórkowych. Powód - podczas rozmowy, gdy pobór prądu był maksymalny, z akumulatora wyemitował płomień spalający twarz użytkownika telefonu komórkowego.
Ze względu na niestabilność nieodłączną dla litu metalicznego, zwłaszcza podczas ładowania, badania przeniosły się na dziedzinę tworzenia baterii bez użycia Li, ale z wykorzystaniem jego jonów. Chociaż akumulatory litowo-jonowe zapewniają nieco mniejszą gęstość energii niż akumulatory litowe, akumulatory litowo-jonowe są bezpieczne, gdy mają odpowiednie warunki ładowania i rozładowania. Nie są jednak odporne na eksplozje.
Również w tym kierunku, podczas gdy wszystko próbuje się rozwijać i nie stać w miejscu. Na przykład naukowcy z Nanyang Technological University (Singapur) opracowali nowy typ baterii litowo-jonowej o rekordowej wydajności. Najpierw ładuje się w 2 minuty do 70% maksymalnej pojemności. Po drugie, bateria działa prawie bez degradacji od ponad 20 lat.
Czego możemy się spodziewać dalej?
Sód
Zdaniem wielu badaczy to właśnie ten metal alkaliczny powinien zastąpić drogi i rzadki lit, który ponadto jest chemicznie aktywny i niebezpieczny pożarowo. Zasada działania baterii sodowych jest podobna do tej z litu - do przenoszenia ładunku wykorzystują jony metali.
Naukowcy z różnych laboratoriów i instytutów od lat borykają się z wadami technologii sodowej, takimi jak powolne ładowanie i niskie prądy. Niektórym z nich udało się rozwiązać problem. Na przykład próbki akumulatorów BroadBit przed produkcją ładują się w ciągu pięciu minut i mają od półtora do dwóch razy większą pojemność. Po otrzymaniu kilku nagród w Europie, takich jak Innovation Radar Prize, Eureka Innovest Award i wiele innych, firma przeszła do certyfikacji, budowy fabryk i uzyskiwania patentów.
Grafen
Grafen to płaska sieć krystaliczna atomów węgla o grubości jednego atomu. Dzięki swojej ogromnej powierzchni w niewielkiej objętości, zdolnej do magazynowania ładunku, grafen jest idealnym rozwiązaniem do tworzenia kompaktowych superkondensatorów.
Istnieją już modele eksperymentalne o pojemności do 10 000 Faradów! Taki superkondensator został stworzony przez Sunvault Energy we współpracy z Edison Power. Deweloperzy twierdzą, że w przyszłości przedstawią model, którego energia wystarczy do zasilania całego domu.
Takie superkondensatory mają wiele zalet: możliwość niemal natychmiastowego ładowania, przyjazność dla środowiska, bezpieczeństwo, zwartość, a także niski koszt. Dzięki nowej technologii wytwarzania grafenu, podobnej do drukowania na drukarce 3D, Sunvault obiecuje koszt baterii prawie dziesięciokrotnie niższy niż w przypadku technologii litowo-jonowych. Jednak do produkcji przemysłowej wciąż daleko.
Sanvault ma również konkurentów. Grupa naukowców z University of Swinburn w Australii zaprezentowała również superkondensator grafenowy o pojemności porównywalnej z bateriami litowo-jonowymi. Można go naładować w kilka sekund. Dodatkowo jest elastyczny, co pozwoli na zastosowanie go w urządzeniach o różnych kształtach, a nawet w inteligentnych ubraniach.
Baterie atomowe
Baterie jądrowe są nadal bardzo drogie. W najbliższym czasie nie będą w stanie konkurować ze znanymi już akumulatorami litowo-jonowymi, ale nie sposób nie wspomnieć o nich, ponieważ źródła, które nieprzerwanie wytwarzają energię od 50 lat, są znacznie ciekawsze niż akumulatory.
Ich zasada działania jest w pewnym sensie podobna do działania ogniw słonecznych, tyle że zamiast słońca źródłem energii w nich są izotopy z promieniowaniem beta, które jest następnie pochłaniane przez elementy półprzewodnikowe.
W przeciwieństwie do promieniowania gamma, promieniowanie beta jest praktycznie nieszkodliwe. Jest to strumień naładowanych cząstek, który można łatwo osłonić cienkimi warstwami specjalnych materiałów. Jest również aktywnie wchłaniany przez powietrze.
Obecnie rozwój takich baterii odbywa się w wielu instytutach. W Rosji NUST MISIS, MIPT i NPO Luch ogłosiły wspólną pracę w tym kierunku. Wcześniej podobny projekt rozpoczął Tomsk Polytechnic University. W obu projektach główną substancją jest nikiel-63, otrzymywany w wyniku napromieniowania neutronowego izotopu niklu-62 w reaktorze jądrowym, z dalszym przetwarzaniem radiochemicznym i separacją w wirówkach gazowych. Pierwszy prototyp baterii powinien być gotowy w 2017 roku.
Jednak te beta-voltaiczne zasilacze mają małą moc i są niezwykle drogie. W przypadku rozwoju rosyjskiego szacunkowy koszt miniaturowego źródła prądu może wynieść nawet 4,5 mln rubli.
Zasilacz atomowy oparty na trycie NanoTritium firmy City Labs.
Nikiel-63 ma również konkurentów. Na przykład University of Missouri od dłuższego czasu eksperymentuje ze strontem-90, a miniaturowe baterie beta-woltaiczne na bazie trytu można znaleźć na rynku. Za cenę około tysiąca dolarów są w stanie zasilać różne rozruszniki serca, czujniki lub kompensować samorozładowanie akumulatorów litowo-jonowych.
Świecący brelok z trytem.
Na razie eksperci są spokojni
Pomimo podejścia do masowej produkcji pierwszych baterii sodowych i aktywnych prac nad zasilaczami grafenowymi, eksperci z branży nie przewidują żadnych rewolucji w ciągu najbliższych kilku lat.
Firma Liteko, działająca pod skrzydłami Rusnano i produkująca baterie litowo-jonowe w Rosji, uważa, że nie ma jeszcze powodów do spowolnienia wzrostu rynku. „Stałe zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe wynika przede wszystkim z ich wysokiej energii właściwej (magazynowanej na jednostkę masy lub objętości). Zgodnie z tym parametrem nie mają one obecnie konkurentów wśród wielokrotnego ładowania chemicznych źródeł energii produkowanych seryjnie”- komentuje firma.
Jednak w przypadku komercyjnego sukcesu tych samych baterii sodowych BroadBit rynek może się przeformatować w ciągu kilku lat. Chyba że właściciele i udziałowcy chcą dużo zarobić na nowej technologii.