Futurológia 1.1: menšie batérie s väčšou kapacitou sú bližšie ako kedykoľvek predtým

Na začiatku roka sme v našej sérii smartfónovej futurológie diskutovali o technológii, ktorá sa skrýva za batériou v smartfónoch, a o tom, čo príde v budúcnosti. Tento článok je rýchlou aktualizáciou tohto článku a zaoberá sa najnovšími vývojmi v oblasti batérií založených na lítiovej chémii - napríklad tých, ktoré poháňajú drvivú väčšinu smartfónov.

Bližšie sa pozrieme na to, čo v priebehu času znižuje výdrž batérie vášho telefónu a ako sú technológie s vysokou kapacitou, ako sú lítiové sírové batérie a kovové lítiové anódy, bližšie ako kedykoľvek predtým. Pripojte sa k nám po prestávke.

: Najnovšie prielomy v technológii batérií v telefónoch

Prečo kapacita batérie v priebehu času klesá

Obrazový kredit: Spoločné centrum pre výskum ukladania energie

Skupine vedenej Spoločným strediskom pre výskum energie v USA sa podarilo zhromaždiť dôkazy o procesoch, ktoré viedli k zhoršovaniu kvality lítiových batérií v priebehu času. , V mojom pôvodnom článku som spomenul rast dendritických (vetvenie ako strom) na anódach s kovovým lítiom v priebehu času, čím sa znížila kapacita batérie.

Usadzovanie lítiového kovu na Li-po elektróde v priebehu času

Kredit: Spoločné centrum pre výskum skladovania energie

Tím vyvinul novú metódu pomocou STEM (skenovacia transmisná elektrónová mikroskopia - metóda na analýzu neuveriteľne malých štruktúr) na pozorovanie týchto usadenín v lítium-polymérovej batérii v priebehu času.

Anóda lítiovej batérie je to, čo určuje celkovú kapacitu, a tieto výrastky narúšajú, ako efektívne je anóda schopná ukladať lítiové ióny, a tak znižuje kapacitu batérie. Ukázalo sa tiež, že tieto dendritické výrastky lítneho kovu môžu byť nebezpečné a spôsobiť vnútorné poruchy, ktoré vedú k vybuchnutiu alebo dokonca k horšiemu vybuchnutiu batérie. , Vďaka týmto prielomovým schopnostiam pozorovať takéto procesy bol tím schopný určiť faktory, ktoré kontrolujú tento rast, čo pomôže vedcom v tejto oblasti zlepšiť životnosť a bezpečnosť komerčných lítiových batérií.

Vylepšenia v lítium-síre

Obrazový kredit: University of California

Počet publikovaných článkov o technológii lítium-síry sa dramaticky zvýšil a ako už bolo vysvetlené, táto technológia sa považuje za ďalšiu iteráciu v technológii lítiových batérií, ktorá nahrádza bežne používané lítiové polymérové ​​články. Zhrnutie:

Lítium-síra je mimoriadne atraktívnou náhradou za súčasné technológie, pretože je rovnako jednoduchá na výrobu, má vyššiu nabíjaciu kapacitu. A čo je ešte lepšie, nevyžaduje vysoko prchavé rozpúšťadlá, ktoré drasticky znižujú riziko požiaru v dôsledku skratu a vpichu.

Viac informácií o lítium-síre a ďalších budúcich technológiách batérií

Skupina z Kalifornskej univerzity nedávno vyriešila jeden z problémov týkajúcich sa chémie lítium-síra a uverejnila o nej minulý mesiac dokument ,

Keď sa vyriešia problémy s životnosťou batérií Li-S, technológia sa posunie ďalej k praktickej realite.

Počas chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú v procesoch nabíjania a vybíjania, sa tvoria polysulfidové reťazce. Tieto reťazce musia pretekať neporušeným elektrolytom a práve tu leží problém, polysulfid sa niekedy môže rozpustiť v roztoku a výrazne ovplyvňuje životnosť batérie.

Skupina vyvinula spôsob poťahovania týchto polysulfidov do nanosfér pomocou tenkej vrstvy oxidu kremičitého (v podstate skla), ktorá udržuje polysulfid v dostatočnej vzdialenosti od elektrolytu a zároveň sa ním môže ľahko pohybovať medzi elektródami. S problémami, ako sú tieto, neustále rieši množstvo pracovitých výskumných skupín, budúcnosť lítium-sírových batérií je v našich telefónoch hranicami každý deň bližšie.

Lítiové kovové anódy prichádzajú na uskutočnenie

Obrazový kredit: SolidEnergy Systems

Ak si pamätáte z článku o bateriovej futurológii, spomenul som, ako je možné použiť lítiový kov, pretože anóda je „svätý grál“ z anódových materiálov z dôvodu zvýšenej kapacity, ktorú prinášajú.

Spoločnosť SolidEnergy Systems Corp. predviedla svoju „anódovú“ lítiovú batériu, ktorá v podstate nahrádza normálnu grafitovú a zloženú anódu tenkou lítiovou kovovou anódou. Tvrdia, že zdvojnásobili energetickú hustotu v porovnaní s grafitovou anódou a 50% v porovnaní s kremíkovou kompozitnou anódou.

Najnovšie „anodeless“ batérie tvrdia, že práve teraz zdvojnásobujú energetickú hustotu obsahu vášho telefónu.

Vyššie uvedený obrázok, ktorý publikovala SolidEnergy, ukazuje výrazné zmenšenie veľkosti, hoci by som mal spomenúť, že je to trochu zavádzajúce. Batérie Xiaomi aj Samsung sú navrhnuté tak, aby sa dali vymeniť, takže by mali ďalšiu plastovú škrupinu a ďalšiu elektroniku, napríklad nabíjací obvod alebo dokonca (v niektorých batériách Samsung) anténu NFC.

Po tom, čo ste povedali, v správe BBC však môžete vidieť podstatný rozdiel vo veľkosti medzi internou batériou iPhone 1, 8 Ah a batériou 2, 0 Ah SolidEnergy.

Čo to všetko znamená

Keďže vlajkové telefóny niekoľkých výrobcov - vrátane Galaxy S6 a Apple iPhone 6 - smerujú k tenším dizajnom, potreba hustejších batérií sa zvyšuje. Naplnenie väčšieho množstva energie batérie v menšej oblasti tiež otvára možnosť získať niekoľko dní používania z väčších telefónov typu „phablet“ a zároveň poskytnúť viac šťavy pre budúcich procesorov s veľkým výkonom.

Pozeráme sa na budúcnosť, kde bude ľahšie ako kedykoľvek predtým vyhnúť sa obávanej vybitej batérii smartfónu.

A pokiaľ ide o lítium-sírové batérie, znížené riziko požiaru v dôsledku skratu alebo prepichnutia by malo zabezpečiť, aby boli naše zariadenia bezpečnejšie pri používaní a aby boli pre výrobcov menej nebezpečné (a nákladné) pre výrobcov na prepravu.

Skombinujte to s nedávnym pokrokom smerom k rýchlejšiemu nabíjaniu a rastu bezdrôtového nabíjania v posledných rokoch a hľadáme budúcnosť, v ktorej bude ľahšie ako kedykoľvek predtým vyhnúť sa vybitej batérii smartfónu.

Kedy začneme vidieť dostupnosť týchto nových technológií? Spoločnosť SolidEnergy odhaduje, že jej „anodeless“ riešenie zasiahne trh v roku 2016 a vzhľadom na najnovší vývoj v oblasti tejto technológie sa pozrieme na podobný časový rozvrh aj na batérie Li-S. To neznamená, že budú dodávať v skutočných mobilných zariadeniach v budúcom roku - napriek tomu revolúcia v technológii batérií, na ktorú sme všetci čakali, nemôže byť ďaleko.

Viac futurológie: Prečítajte si o budúcnosti technológie smartfónov

Referencie

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 a ND Browning, pozorovanie a kvantifikácia procesov s nanočasti v lítiových batériách pomocou Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): s. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu a Y. Cui, vzájomne prepojené duté uhlíkové nanosféry pre stabilné anódy kovového lítia, Nat Nano, 2014. 9 (8): s. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan a M. Ozkan, SiO2 potiahnuté častice síry s mierne redukovaným oxidom grafénu ako materiál katódy pre lítium-sírové batérie, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng a Y. Cui, nanoštruktúrované sírové katódy, Recenzie chemickej spoločnosti, 2013. 42 (7): s. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao a Y. Cui, Pochopenie úlohy rôznych vodivých polymérov pri zlepšovaní výkonnosti nanoštruktúrovanej katódy síry, Nano Letters, 2013. 13 (11): p, 5534 až 5540.