Futurology 1.1: Οι μικρότερες, υψηλότερης χωρητικότητας μπαταρίες είναι πιο κοντά από ποτέ

Πίσω στην αρχή της χρονιάς στη σειρά Smartphone Futurology, συζητήσαμε την τεχνολογία πίσω από την μπαταρία σε smartphones και τι θα συμβεί στο μέλλον. Αυτό το άρθρο είναι μια γρήγορη ενημέρωση για αυτό το κομμάτι, κοιτάζοντας μερικές από τις πρόσφατες εξελίξεις στις μπαταρίες με βάση τη χημεία λιθίου - όπως αυτές που τροφοδοτούν τη συντριπτική πλειοψηφία των smartphones.

Θα εξετάσουμε προσεχώς τι μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας του τηλεφώνου σας με την πάροδο του χρόνου και πώς οι τεχνολογίες υψηλής χωρητικότητας όπως οι μπαταρίες λιθίου θείου και οι μεταλλικές ανόδους του λιθίου είναι πιο κοντά από ποτέ για να γίνουν πρακτικές. Ελάτε μαζί μας μετά το διάλειμμα.

: Οι τελευταίες ανακαλύψεις στην τεχνολογία μπαταριών του τηλεφώνου

Γιατί η χωρητικότητα της μπαταρίας σας μειώνεται με την πάροδο του χρόνου

Πιστοποίηση εικόνας: Κοινό Κέντρο Έρευνας Αποθήκευσης Ενέργειας

Μια ομάδα υπό την ηγεσία του Κοινού Κέντρου Έρευνας για την αποθήκευση ενέργειας στις ΗΠΑ κατόρθωσε να συλλέξει στοιχεία σχετικά με τις διεργασίες πίσω από την υποβάθμιση των μπαταριών λιθίου με την πάροδο του χρόνου . Στο αρχικό μου άρθρο, ανέφερα την ανάπτυξη δενδριτικών (διακλάδωση σαν δέντρο) σε μεταλλικές ανόδους λιθίου με την πάροδο του χρόνου μειώνοντας την χωρητικότητα της μπαταρίας.

Απόθεση μεταλλικού λιθίου στο ηλεκτρόδιο Li-po με την πάροδο του χρόνου

Πιστοποίηση: Κοινό Κέντρο Έρευνας Αποθήκευσης Ενέργειας

Η ομάδα ανέπτυξε μια νέα μέθοδο με τη χρήση STEM (ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης σάρωσης - μέθοδος ανάλυσης απίστευτα μικρών δομών) για να παρατηρήσει αυτές τις αποθέσεις σε μια μπαταρία πολυμερούς λιθίου με την πάροδο του χρόνου.

Η άνοδος μιας μπαταρίας λιθίου καθορίζει τη συνολική χωρητικότητα και αυτές οι αυξήσεις διαταράσσουν πόσο αποτελεσματικά η άνοδος είναι σε θέση να αποθηκεύσει ιόντα λιθίου και έτσι να μειώσει την ικανότητα της μπαταρίας. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι αυτές οι δενδριτικές αναπτύξεις μεταλλικού λιθίου μπορούν να είναι επικίνδυνες και να προκαλέσουν εσωτερικές βλάβες που οδηγούν στη δημιουργία μπαλονιών μπαταρίας ή, ακόμη χειρότερα, στην έκρηξη .

Με αυτές τις πρωτοποριακές ικανότητες να παρατηρούν τέτοιες διεργασίες, η ομάδα ήταν σε θέση να προσδιορίσει τους παράγοντες που ελέγχουν αυτές τις αυξήσεις, οι οποίοι θα βοηθήσουν τους ερευνητές στον τομέα να βελτιώσουν τη μακροζωία και την ασφάλεια εμπορικών μπαταριών λιθίου.

Βελτιώσεις στο λίθιο-θείο

Image credit: Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας

Έχει σημειωθεί δραματική αύξηση του αριθμού των δημοσιευμένων εγγράφων σχετικά με την τεχνολογία θειικού λιθίου και, όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, η τεχνολογία θεωρείται ως η επόμενη επανάληψη της τεχνολογίας μπαταριών λιθίου, αντικαθιστώντας τα ευρέως υιοθετημένα πολυμερή κύτταρα λιθίου. Για να ανακεφαλαιώσουμε:

Το λίθιο-θείο είναι ένα εξαιρετικά ελκυστικό υποκατάστατο για τις τρέχουσες τεχνολογίες, καθώς είναι εξίσου εύκολο να παραχθεί, έχει μεγαλύτερη ικανότητα φόρτισης. Ακόμη καλύτερα, δεν απαιτεί ιδιαίτερα πτητικούς διαλύτες, οι οποίοι μειώνουν δραστικά τον κίνδυνο πυρκαγιάς από σπάσιμο και διάτρηση.

Περισσότερα σχετικά με τις τεχνολογίες λιθίου-θείου και άλλες μελλοντικές τεχνολογίες μπαταριών

Πρόσφατα, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας έχει επιλύσει ένα από τα θέματα γύρω από τη χημεία λιθίου-θείου, δημοσιεύοντας ένα χαρτί τον προηγούμενο μήνα .

Καθώς επιλύονται τα προβλήματα με τη μακροζωία των μπαταριών Li-S, η τεχνολογία κινείται περισσότερο προς την πρακτική πραγματικότητα.

Κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στις διαδικασίες φόρτισης και εκκένωσης, σχηματίζονται αλυσίδες πολυσουλφιδίου. Αυτές οι αλυσίδες πρέπει να ρέουν μέσα από τον ηλεκτρολύτη άθικτο και αυτό είναι όπου το θέμα βρίσκεται, το πολυσουλφίδιο μπορεί μερικές φορές να διαλύεται στη λύση και επηρεάζει σημαντικά τη μακροζωία της μπαταρίας.

Η ομάδα ανέπτυξε μια μέθοδο επικάλυψης αυτών των πολυσουλφιδίων σε νανοσφαίρες χρησιμοποιώντας ένα λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (ουσιαστικά γυαλιού), το οποίο διατηρεί το πολυσουλφίδιο μακριά από τον ηλεκτρολύτη, ενώ είναι σε θέση να κινείται εύκολα μέσα από αυτό μεταξύ των ηλεκτροδίων. Με θέματα όπως αυτά που επιλύονται διαρκώς από πολυάριθμες ερευνητικές ομάδες σκληρής δουλειάς, το μέλλον των μπαταριών λιθίου-θείου που βρίσκονται στα τηλεφωνικά μας άκρα πιο κοντά κάθε μέρα.

Οι ανόδους μεταλλικού λιθίου έρχονται να αποδώσουν

Πιστοποίηση εικόνας: Συστήματα SolidEnergy

Εάν θυμάστε από το άρθρο futurology μπαταρίας, ανέφερα πώς είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει το μέταλλο του λιθίου ως άνοδος είναι το "άγιο grail" των υλικών ανόδου λόγω της επιπλέον χωρητικότητας που φέρνουν.

Η SolidEnergy Systems Corp. παρουσιάζει την μπαταρία λιθίου τους "άνοδος", η οποία ουσιαστικά αντικαθιστά τον φυσιολογικό γραφίτη και τις σύνθετες ανόδους με μια λεπτή μεταλλική ανόδου λιθίου. Ισχυρίζονται ότι διπλασιάζουν την ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με μια άνοδο γραφίτη και 50% σε σύγκριση με μια σύνθετη ανόδου του πυριτίου.

Οι τελευταίες μπαταρίες "άνοδος" ισχυρίζονται ότι διπλασιάζουν την ενεργειακή πυκνότητα του τι υπάρχει στο τηλέφωνό σας αυτή τη στιγμή.

Η παραπάνω εικόνα που δημοσίευσε η SolidEnergy βοηθάει να δείξει τη δραστική μείωση του μεγέθους, αν και θα ήθελα να αναφέρω ότι είναι ελαφρώς παραπλανητική. Και οι μπαταρίες Xiaomi και Samsung έχουν σχεδιαστεί για να αντικαθίστανται, έτσι θα υπάρχει ένα επιπλέον πλαστικό κέλυφος και πρόσθετα ηλεκτρονικά όπως ένα κύκλωμα φόρτισης ή ακόμα και (σε ​​ορισμένες μπαταρίες Samsung) μια κεραία NFC.

Ωστόσο, έχοντας πει αυτό, μπορείτε να δείτε τη σημαντική διαφορά μεγέθους μεταξύ της εσωτερικής μπαταρίας 1.8 Ah του iPhone και της μπαταρίας 2.0 Ah SolidEnergy στην αναφορά ειδήσεων του BBC.

Αυτό σημαίνει όλα

Με τα κορυφαία κινητά τηλέφωνα των κατασκευαστών - όπως το Samsung Galaxy S6 και το iPhone 6 της Apple - που πιέζουν προς λεπτότερα σχέδια, η ανάγκη για πυκνότερες μπαταρίες γίνεται ακόμη μεγαλύτερη. Η αύξηση της ισχύος της μπαταρίας σε μια μικρότερη περιοχή ανοίγει επίσης τη δυνατότητα χρήσης αρκετών ημερών χρήσης από μεγαλύτερες συσκευές τύπου "phablet", παρέχοντας παράλληλα περισσότερους χυμούς για τους επεξεργαστές της μελλοντικής τεχνολογίας.

Εξετάζουμε ένα μέλλον όπου θα είναι ευκολότερο από ποτέ να αποφύγουμε τη φοβερή νεκρή μπαταρία smartphone.

Και όταν πρόκειται για συσσωρευτές λιθίου-θείου, ο μειωμένος κίνδυνος πυρκαγιάς από βραχυκύκλωμα ή διάτρηση θα πρέπει να κάνει τις συσκευές μας ασφαλέστερες στη χρήση και λιγότερο επικίνδυνες (και δαπανηρές) για να μεταφέρουν οι κατασκευαστές.

Συνδυάστε το με την πρόσφατη πρόοδο προς την ταχύτερη χρέωση και την αύξηση της ασύρματης χρέωσης τα τελευταία χρόνια και κοιτάζουμε ένα μέλλον όπου θα είναι ευκολότερο από ποτέ να αποφύγουμε μια νεκρή μπαταρία smartphone.

Όταν λοιπόν θα αρχίσουμε να βλέπουμε αυτές τις νέες τεχνολογίες διαθέσιμες; Η SolidEnergy εκτιμά ότι η λύση της «άνοσης» θα χτυπήσει την αγορά το 2016 και εξετάζουμε ένα παρόμοιο χρονοδιάγραμμα και για τις μπαταρίες Li-S, δεδομένων των πρόσφατων εξελίξεων γύρω από αυτήν την τεχνολογία. Αυτό δεν σημαίνει ότι θα μεταφερθούν σε πραγματικές κινητές συσκευές το επόμενο έτος - ωστόσο, η επανάσταση στην τεχνολογία μπαταριών που όλοι περιμέναμε δεν μπορεί να είναι μακριά.

Περισσότερα Futurology: Διαβάστε για το μέλλον της τεχνολογίας smartphone

βιβλιογραφικές αναφορές

1. BL Mehdi, J. Qian, Ε. Nasybulin, C. Park, DA Welch, R. Faller, Η. Mehta, WA Henderson, W. Xu, CM Wang, JE Evans, J. Liu, JG Zhang, KT Mueller ND Browning, Παρατήρηση και ποσοτικοποίηση διεργασιών νανοκλίμακας σε μπαταρίες λιθίου από Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): σελ. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, Η.-W. Lee, Κ. Yan, Η. Yao, Η. Wang, W. Li, S. Chu και Y. Cui, Διασυνδεδεμένες κοίλες νανοσφαίρες άνθρακα για σταθερές μεταλλικές ανόδους λιθίου, Nat Nano, 2014. 9 (8) 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan και M. Ozkan, επικαλυμμένα με Si02 σωματίδια θείου με ελαφρώς μειωμένο οξείδιο του γραφένιου ως υλικό καθόδου για μπαταρίες λιθίου-θείου, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng και Y. Cui, Νανοδομημένες κάθοδοι θείου, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): σελ. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, Η. Yao και Y. Cui, Κατανόηση του ρόλου διαφόρων αγωγιμότερων πολυμερών στη βελτίωση της επιδόσεων της ναόδου δομής του νατρίου, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.