Este un paradox, dar, în ciuda calității extraordinare pe care a făcut-o electronica în ultimii 30 de ani, toate dispozitivele mobile sunt încă echipate cu baterii cu litiu-ion, care au intrat pe piață încă din 1991, când obișnuitul CD player a fost punctul culminant al ingineriei în tehnologia portabilă.
Multe proprietăți utile ale eșantioanelor noi în electronice și gadgeturi sunt nivelate de timpul redus de alimentare a acestor dispozitive de la o baterie mobilă. Săpunul științific și inventatorii ar fi făcut un pas înainte cu mult timp, dar sunt păstrați de „ancora” bateriei.
Să aruncăm o privire la ce tehnologii pot transforma lumea electronică în viitor.
În primul rând, puțină istorie
Cel mai adesea, bateriile cu litiu-ion (Li-ion) sunt utilizate în dispozitive mobile (laptopuri, telefoane mobile, PDA-uri și altele). Acest lucru se datorează avantajelor lor față de bateriile anterior utilizate pe scară largă de nichel-metal (Ni-MH) și baterii de nichel-cadmiu (Ni-Cd).
Bateriile Li-ion au parametri mult mai buni. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că bateriile Ni-Cd au un avantaj important: capacitatea de a furniza curenți de descărcare ridicată. Această proprietate nu este importantă atunci când alimentează laptopuri sau telefoane mobile (unde cota Li-ion ajunge la 80%, iar cota lor devine din ce în ce mai mare), dar există destul de multe dispozitive care consumă curenți mari, de exemplu, tot felul de scule electrice, aparat de ras electric etc. P. Până acum, aceste dispozitive au fost aproape exclusiv domeniul bateriilor Ni-Cd. Cu toate acestea, în prezent, în special în legătură cu restricția de utilizare a cadmiului în conformitate cu directiva RoHS, s-au intensificat cercetările privind crearea de baterii fără cadmiu cu un curent de descărcare ridicat.
Video promotional:
Celulele primare („baterii”) cu un anod de litiu au apărut la începutul anilor 70 ai secolului XX și au găsit rapid aplicație datorită energiei lor specifice specifice și altor avantaje. Astfel, s-a realizat dorința îndelungată de a crea o sursă de curent chimic cu cel mai activ agent de reducere, un metal alcalin, ceea ce a făcut posibilă creșterea dramatică atât a tensiunii de funcționare a bateriei, cât și a energiei sale specifice. Dacă dezvoltarea celulelor primare cu un anod de litiu a fost încununată cu un succes relativ rapid și astfel de celule și-au luat ferm locul ca surse de alimentare pentru echipamente portabile, atunci crearea de baterii de litiu a intrat în dificultăți fundamentale, care au durat mai mult de 20 de ani pentru a depăși.
După multe testări de-a lungul anilor 1980, s-a dovedit că problema bateriilor cu litiu este răsucită în jurul electrozilor cu litiu. Mai exact, în jurul activității litiului: procesele care au loc în timpul funcționării, la final, au dus la o reacție violentă, numită „ventilație cu eliberarea unei flăcări”. În 1991, un număr mare de baterii cu litiu au fost reamintite în fabricile de fabricație, care au fost folosite pentru prima dată ca sursă de alimentare pentru telefoanele mobile. Motivul - în timpul unei conversații, când consumul curent este maxim, a fost emisă o flacără din baterie, arzând fața utilizatorului telefonului mobil.
Datorită instabilității inerente litiului metalic, în special în timpul încărcării, cercetările s-au mutat în domeniul creării unei baterii fără utilizarea Li, dar folosind ioni ai acesteia. Deși bateriile cu litiu-ion oferă o densitate de energie ceva mai mică decât bateriile cu litiu, bateriile Li-ion sunt sigure atunci când sunt prevăzute cu condițiile corecte de încărcare și descărcare. Cu toate acestea, nu sunt imune la explozii.
În această direcție, de asemenea, în timp ce totul încearcă să se dezvolte și să nu stea nemișcat. De exemplu, oamenii de știință de la Universitatea Tehnologică Nanyang (Singapore) au dezvoltat un nou tip de baterie litiu-ion care are performanțe record. În primul rând, încarcă în 2 minute până la 70% din capacitatea sa maximă. În al doilea rând, bateria funcționează aproape fără degradare de mai bine de 20 de ani.
La ce ne putem aștepta în continuare?
Sodiu
Potrivit multor cercetători, acest metal alcalin trebuie să înlocuiască litiu scump și rar, care, de altfel, este activ din punct de vedere chimic și este periculos pentru incendiu. Principiul de funcționare al bateriilor de sodiu este similar cu cel al litiului - folosesc ioni metalici pentru a transfera încărcarea.
Ani de zile, oamenii de știință din diverse laboratoare și institute s-au luptat cu dezavantajele tehnologiei de sodiu, cum ar fi încărcarea lentă și curenții mici. Unii dintre ei au reușit să rezolve problema. De exemplu, eșantioanele de preproducție ale bateriilor BroadBit se încarcă în cinci minute și au o capacitate și jumătate până la două ori. După ce a primit mai multe premii în Europa, precum Premiul Radar pentru Inovație, Premiul Eureka Innovest și o serie de altele, compania a trecut la certificare, construirea fabricii și obținerea de brevete.
Grafenul
Grafenul este o grilă de cristal plat cu atomi de carbon cu un atom de grosime. Datorită suprafeței sale uriașe într-un volum compact, capabil să stocheze încărcarea, grafenul este o soluție ideală pentru crearea supercapacitoarelor compacte.
Există deja modele experimentale cu capacități de până la 10.000 Farads! Un astfel de supercapacitor a fost creat de Sunvault Energy în colaborare cu Edison Power. Dezvoltatorii susțin că în viitor vor prezenta un model, a cărui energie va fi suficientă pentru a alimenta întreaga casă.
Astfel de supercapacitoare au multe avantaje: posibilitatea unei încărcări aproape instantanee, prietenie cu mediul, siguranță, compactitate și, de asemenea, costuri reduse. Datorită noii tehnologii pentru producerea grafenului, asemănător imprimării pe o imprimantă 3D, Sunvault promite costul bateriilor de aproape zece ori mai mic decât cel al tehnologiilor cu litiu. Totuși, producția industrială este încă departe.
Sanvault are și concurenți. Un grup de oameni de știință de la Universitatea Swinburn, Australia, a prezentat și un supercapacitor grafen, care are o capacitate comparabilă cu bateriile cu ioni de litiu. Se poate încărca în câteva secunde. În plus, este flexibil, ceea ce îi va permite să fie utilizat în dispozitive cu diverși factori de formă și chiar în haine inteligente.
Baterii atomice
Bateriile nucleare sunt încă foarte scumpe. În viitorul apropiat nu vor putea concura cu bateriile de ioni de litiu cunoscute, dar nu putem să nu le menționăm, deoarece sursele care au generat continuu energie de 50 de ani sunt mult mai interesante decât bateriile reîncărcabile.
Principiul lor de funcționare, într-un anumit sens, este similar cu cel al funcționării celulelor solare, doar în locul soarelui, sursa de energie din ele sunt izotopii cu radiație beta, care este apoi absorbită de elemente semiconductoare.
Spre deosebire de radiațiile gamma, radiațiile beta sunt practic inofensive. Este un flux de particule încărcate și este ușor protejat de straturi subțiri de materiale speciale. De asemenea, este absorbit activ de aer.
Astăzi, dezvoltarea unor astfel de baterii se realizează în multe institute. În Rusia, NUST MISIS, MIPT și NPO Luch și-au anunțat activitatea comună în această direcție. Anterior, un proiect similar a fost lansat de Universitatea Politehnică Tomsk. În ambele proiecte, substanța principală este nichel-63, obținută prin iradierea de neutroni a izotopului nichel-62 într-un reactor nuclear cu prelucrare radiochimică suplimentară și separare în centrifuge de gaz. Primul prototip al bateriei ar trebui să fie gata în 2017.
Cu toate acestea, aceste surse de alimentare beta-voltaică sunt cu putere redusă și extrem de costisitoare. În cazul unei dezvoltări rusești, costul estimat al unei surse de energie în miniatură poate fi de până la 4,5 milioane de ruble.
Alimentare atomică bazată pe tritiu NanoTritium de la City Labs.
Nickel-63 are și concurenți. De exemplu, Universitatea din Missouri experimentează de mult timp cu strontium-90, iar bateriile beta-voltaice miniaturale bazate pe tritiu pot fi găsite comercial. La un preț de o mie de dolari, aceștia sunt capabili să alimenteze diverse stimulatoare cardiace, senzori sau să compenseze descărcarea automată a bateriilor cu litiu-ion.
Breloc luminos cu tritiu.
Experții sunt calmi deocamdată
În ciuda abordării producției în masă a primelor baterii de sodiu și a activității active la sursele de alimentare cu grafen, experții din industrie nu prezic niciun fel de revoluții pentru următorii ani.
Compania Liteko, care operează sub aripa Rusnano și produce baterii cu litiu în Rusia, consideră că nu există încă motive pentru încetinirea creșterii pieței. „Cererea constantă de baterii cu ioni de litiu se datorează în primul rând energiei lor specifice specifice (stocată pe unitatea de masă sau volum). Conform acestui parametru, aceștia nu au concurenți printre sursele de alimentare chimice reîncărcabile produse în serie în acest moment”, comentează compania.
Cu toate acestea, în cazul succesului comercial al acelorași baterii de sodiu BroadBit, piața se poate reformata peste câțiva ani. Cu excepția cazului în care proprietarii și acționarii vor să câștige mulți bani pe noua tehnologie.
