Futurologia 1.1: mniejsze akumulatory o większej pojemności są bliżej niż kiedykolwiek wcześniej

Na początku roku w naszej serii Smartphone Futurology dyskutowaliśmy o technologii stojącej za baterią w smartfonach i o tym, co będzie w przyszłości. Ten artykuł stanowi szybką aktualizację tego artykułu, analizując niektóre z najnowszych osiągnięć w dziedzinie akumulatorów opartych na chemii litowej - na przykład zasilające ogromną większość smartfonów.

Przyjrzymy się bliżej, co z czasem skraca żywotność baterii telefonu, oraz temu, jak technologie o dużej pojemności, takie jak baterie litowo-siarkowe i anody litowo-metalowe, są bliższe niż kiedykolwiek do praktycznego zastosowania. Dołącz do nas po przerwie.

: Najnowsze przełomy w technologii baterii telefonu

Dlaczego pojemność baterii maleje z czasem

Zdjęcie: Wspólne Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii

Grupie kierowanej przez Wspólne Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii w USA udało się zebrać dowody dotyczące procesów związanych z degradacją baterii litowych w miarę upływu czasu . W moim oryginalnym artykule wspomniałem o wzrostach dendrytycznych (rozgałęzionych jak drzewo) na anodach litowo-metalicznych w czasie, zmniejszając pojemność baterii.

Z upływem czasu osadzanie litowo-metaliczne na elektrodzie Li-po

Źródło: Wspólne Centrum Badań nad Magazynowaniem Energii

Zespół opracował nową metodę wykorzystującą STEM (skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową - metodę analizy niewiarygodnie małych struktur) do obserwacji tych złóż w akumulatorze litowo-polimerowym w czasie.

Anoda baterii litowej decyduje o całkowitej pojemności, a wzrosty te zakłócają efektywność magazynowania jonów litowych przez anodę, a tym samym zmniejszają pojemność baterii. Wykazano również, że te dendrytyczne narastanie litu metalu może być niebezpieczne i powodować awarie wewnętrzne, które prowadzą do balonowania się baterii lub, co gorsza, do eksplozji .

Dzięki tym przełomowym umiejętnościom obserwowania takich procesów, zespół był w stanie określić czynniki, które kontrolują te wzrosty, które pomogą badaczom w tej dziedzinie poprawić żywotność i bezpieczeństwo komercyjnych akumulatorów litowych.

Ulepszenia w litowo-siarkowej

Źródło zdjęcia: University of California

Nastąpił gwałtowny wzrost liczby opublikowanych prac na temat technologii litowo-siarkowej, i jak wyjaśniono wcześniej, technologia ta jest postrzegana jako kolejna iteracja w technologii akumulatorów litowych, zastępująca powszechnie przyjęte ogniwa litowo-polimerowe. Przypomnę:

Litowo-siarkowy jest niezwykle atrakcyjnym zamiennikiem obecnych technologii, ponieważ jest równie łatwy w produkcji, ma wyższą pojemność ładowania. Co więcej, nie wymaga wysoce lotnych rozpuszczalników, które drastycznie zmniejszają ryzyko pożaru na skutek zwarcia i przebicia.

Więcej informacji na temat litowo-siarkowych i innych przyszłych technologii akumulatorów

Niedawno grupa z University of California rozwiązała jeden z problemów związanych z chemią litowo-siarkową, publikując na ten temat artykuł w zeszłym miesiącu .

Ponieważ problemy z długowiecznością akumulatorów Li-S zostały rozwiązane, technologia posuwa się dalej w kierunku praktycznej rzeczywistości.

Podczas reakcji chemicznych zachodzących w procesach ładowania i rozładowywania powstają łańcuchy polisiarczkowe. Łańcuchy te muszą przepływać przez nienaruszony elektrolit i tutaj leży problem, polisiarczek może czasami rozpuścić się w roztworze i znacznie wpływa na żywotność baterii.

Grupa opracowała metodę powlekania tych polisiarczków nanosferami przy użyciu cienkiej warstwy dwutlenku krzemu (zasadniczo szkła), która utrzymuje polisiarczek z dala od elektrolitu, jednocześnie będąc w stanie łatwo przemieszczać się między nim między elektrodami. Ponieważ takie ciężkie problemy są nieustannie rozwiązywane przez liczne ciężko pracujące grupy badawcze, przyszłość akumulatorów litowo-siarkowych jest coraz bliżej każdego dnia w naszych telefonach.

Anody litowo-metalowe powstają

Źródło zdjęcia : SolidEnergy Systems

Jeśli pamiętacie z artykułu o futurologii akumulatorów, wspomniałem, jak umiejętność wykorzystania litowo-metalowego jako anody jest „świętym Graalem” materiałów anodowych ze względu na dodatkową pojemność, jaką przynoszą.

SolidEnergy Systems Corp. pokazał swoją „anodowaną” baterię litową, która zasadniczo zastępuje zwykłe anody grafitowe i kompozytowe cienką anodą litowo-metalową. Twierdzą, że podwajają gęstość energii w porównaniu z anodą grafitową i 50% w porównaniu z anodą kompozytową krzemu.

Najnowsze baterie „anodowane” podwoją gęstość energii w porównaniu z tym, co znajduje się teraz w telefonie.

Powyższy obraz opublikowany przez SolidEnergy pomaga pokazać drastyczne zmniejszenie wielkości, choć powinienem wspomnieć, że jest to nieco mylące. Zarówno baterie Xiaomi, jak i Samsung są zaprojektowane tak, aby były wymienne, więc miałyby dodatkową plastikową obudowę i dodatkową elektronikę, taką jak obwód ładowania, a nawet (w niektórych bateriach Samsung) antenę NFC.

Jednak powiedziawszy to, widać istotną różnicę wielkości między wewnętrzną baterią iPhone'a 1, 8 Ah a zestawem baterii 2, 0 Ah SolidEnergy w raporcie prasowym BBC.

Co to wszystko znaczy

W związku z flagowymi telefonami kilku producentów - w tym Galaxy S6 Samsunga i iPhone'a 6 firmy Apple - coraz cieńsze konstrukcje, zapotrzebowanie na gęstsze baterie staje się jeszcze większe. Wciśnięcie większej mocy baterii w mniejszy obszar otwiera także możliwość kilkudniowego korzystania z większych telefonów w stylu „phablet”, zapewniając jednocześnie więcej soku dla energochłonnych procesorów przyszłości.

Patrzymy w przyszłość, w której będzie łatwiej niż kiedykolwiek uniknąć przerażającej martwej baterii smartfona.

A jeśli chodzi o akumulatory litowo-siarkowe, zmniejszone ryzyko pożaru w wyniku zwarcia lub przebicia powinno uczynić nasze urządzenia bezpieczniejszymi w użyciu, a mniej niebezpiecznym (i kosztownym) dla producentów do transportu.

Połącz to z niedawnym postępem w kierunku szybszego ładowania i rozwojem ładowania bezprzewodowego w ostatnich latach, a my patrzymy w przyszłość, w której łatwiej będzie niż kiedykolwiek uniknąć rozładowanej baterii smartfona.

Kiedy zaczniemy widzieć te nowe technologie, które będą dostępne? SolidEnergy szacuje, że jego rozwiązanie „anodowane” trafi na rynek w 2016 roku, a my przyglądamy się podobnemu harmonogramowi również akumulatorów Li-S, biorąc pod uwagę ostatnie zmiany w tej technologii. Nie oznacza to, że będą wysyłane w rzeczywistych urządzeniach mobilnych w przyszłym roku - niemniej jednak rewolucja w technologii akumulatorów, na którą wszyscy czekaliśmy, nie może być daleko.

Więcej Futurologia: Przeczytaj o przyszłości technologii smartfonów

Referencje

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 i ND Browning, obserwacja i kwantyfikacja procesów w nanoskali w akumulatorach litowych przez Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): s. 1. 2168–2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu i Y. Cui, Połączone puste w środku nanosfery węglowe do stabilnych anod litowo-metalowych, Nat Nano, 2014. 9 (8): str. 618–623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favours, R. Ionescu, CS Ozkan i M. Ozkan, cząsteczki siarki pokryte SiO2 z delikatnie zredukowanym tlenkiem grafenu jako materiał katodowy dla akumulatorów litowo-siarkowych, Nanoskala, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng i Y. Cui, Nanostrukturalne katody siarkowe, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): str. 3018–3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao i Y. Cui, Zrozumienie roli różnych polimerów przewodzących w poprawie wydajności nanostrukturalnej katody siarkowej, Nano Letters, 2013. 13 (11): s. 5534-5540.