Футурологія 1.1: менші акумулятори більшої ємності ближче, ніж будь-коли раніше

Ще на початку року в нашій серії Futurology Smartphone ми обговорили технологію, що стоїть за батареєю в смартфонах, і про те, що буде надалі. Ця стаття - це швидке оновлення цього фрагмента, вивчаючи деякі останні події в акумуляторах на основі літієвої хімії - як ті, що живлять переважну більшість смартфонів.

Ми детальніше ознайомимось із тим, що скорочує час роботи акумулятора вашого телефону та наскільки технології високої ємності, такі як літієві сірчані батареї та металеві аноди літію, як ніколи стають практичними. Приєднуйтесь до нас після перерви.

: Останні прориви в технології акумулятора телефону

Чому ємність акумулятора з часом зменшується

Кредитний імідж: Спільний центр досліджень енергозбереження

Групі під керівництвом Об'єднаного центру досліджень енергозбереження в США вдалося зібрати докази щодо процесів зносу літієвих батарей з часом . У своїй початковій статті я згадав дендритні (гіллясті, як дерево) нарости металевих анодів літію з часом, зменшуючи ємність акумулятора.

Відкладення літієвих металів на електроді Li-po з часом

Кредит: Спільний центр досліджень енергозбереження

Команда розробила новий метод за допомогою STEM (скануюча електронна мікроскопія передачі - метод аналізу неймовірно малих структур) для спостереження за цими відкладеннями в літій-полімерній батареї протягом часу.

Анод літієвої батареї - це те, що визначає загальну ємність, і ці нарости руйнують, наскільки ефективно анод здатний зберігати іони літію і, таким чином, знижувати ємність акумулятора. Також було показано, що ці дендритні нарости літієвих металів можуть бути небезпечними та викликати внутрішні збої, що призводять до вибуху батареї або, ще гірше, вибуху .

Завдяки цим проривним можливостям спостерігати за такими процесами команда змогла визначити фактори, які контролюють ці нарости, що допоможе дослідникам у цій галузі покращити довговічність та безпеку комерційних літієвих батарей.

Поліпшення літій-сірки

Кредитний імідж: Каліфорнійський університет

Було різко збільшено кількість опублікованих робіт з технології літієвої сірки, і, як було пояснено раніше, ця технологія розглядається як наступна ітерація технології літієвих акумуляторів, яка замінює широко прийняті літій-полімерні осередки. Для резюме:

Літій-сірка є надзвичайно привабливою заміною для сучасних технологій, оскільки вона так само проста у виробництві, має більш високу зарядну здатність. Що ще краще, він не потребує сильно летучих розчинників, що різко знижує ризик виникнення пожежі від короткого замикання та проколів.

Детальніше про літій-сірку та інші технології майбутніх акумуляторів

Нещодавно група з Каліфорнійського університету вирішила одне з питань хімії літію-сірки, опублікувавши документ про це минулого місяця .

По мірі вирішення питань щодо довговічності батарей Li-S технологія рухається далі до практичної реальності.

Під час хімічних реакцій, що відбуваються в процесах заряду і розряду, утворюються полісульфідні ланцюги. Ці ланцюги повинні протікати через електроліт неушкодженим, і саме тут лежить проблема, полісульфід іноді може розчинятися в розчині та значно впливає на довговічність акумулятора.

Група розробила спосіб нанесення цих полісульфідів у наносфери, використовуючи тонкий шар діоксиду кремнію (по суті скла), який тримає полісульфід подалі від електроліту, одночасно маючи можливість легко переміщатися по ньому між електродами. Такі питання постійно вирішуються численними наполегливими науково-дослідними групами, а майбутнє літієво-сірчаних акумуляторів з кожним днем ​​все ближче до наших телефонів.

Літієві металеві аноди приносять свій плід

Кредитний імідж: SolidEnergy Systems

Якщо ви пам’ятаєте статтю з футурології акумуляторів, я згадав, як можливість використання металу літію як анода є «святим граалом» анодних матеріалів завдяки додатковій здатності, яку вони приносять.

Компанія SolidEnergy Systems Corp. демонструє свою "безанодну" літієву батарею, яка по суті замінює звичайний графітовий та композитний аноди тонким літієвим металевим анодом. Вони стверджують, що вони подвоюють щільність енергії в порівнянні з графітовим анодом і на 50% порівняно з композиційним анодом кремнію.

Останні акумуляторні батареї без анода стверджують, що вдвічі збільшують щільність енергії у вашому телефоні.

Наведене вище зображення, яке опублікував SolidEnergy, допомагає показати різке зменшення розмірів, хоча я мушу зазначити, що це дещо вводить в оману. Як батареї Xiaomi, так і Samsung розроблені таким чином, щоб їх можна було замінити, тому вони мали б додаткову пластикову оболонку та додаткову електроніку, таку як схема зарядки або навіть (в деяких батареях Samsung) антена NFC.

Однак, сказавши це, ви можете побачити істотну різницю в розмірі між внутрішньою батареєю iPhone 1, 8 Ач та акумуляторною батареєю 2, 0 Ah SolidEnergy у новинному звіті BBC.

Що це все означає

Завдяки декільком флагманським телефонам виробників, включаючи Galaxy S6 від Samsung і iPhone 6 Apple, що підштовхують до більш тонких конструкцій, потреба у більш щільних батареях стає ще більшою. Збільшуючи потужність батареї на меншій площі, також відкривається можливість отримати кілька днів використання більших телефонів у стилі "phablet", забезпечуючи при цьому більше соку для процесорів майбутнього, що потребують енергії.

Ми дивимось у майбутнє, де уникнути жахливої ​​мертвої батареї смартфона буде простіше, ніж будь-коли.

А якщо мова йде про літій-сірчані батареї, зменшений ризик пожежі від вимкнення або пробивання повинен зробити наші пристрої більш безпечними у користуванні та менш небезпечними (і дорогими) для виробників для транспортування.

Поєднайте це з недавнім прогресом у напрямку швидшої зарядки та зростання бездротової зарядки за останні роки, і ми дивимось у майбутнє, де буде легше, ніж будь-коли, уникнути мертвої батареї смартфона.

Тож коли ми почнемо бачити, як ці нові технології стають доступними? SolidEnergy оцінює, що його "анодне" рішення вийде на ринок у 2016 році, і ми дивимось на аналогічний графік роботи Li-S акумуляторів, враховуючи останні розробки навколо цієї технології. Це не означає, що вони будуть доставляти фактичні мобільні пристрої в наступному році, проте революція в акумуляторній технології, яку ми всі чекали, не може бути далеко.

Більше футурології: читайте про майбутнє технології смартфонів

Список літератури

1. BL Meh 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, та Н. Д. Браунінг, спостереження та кількісне визначення процесів нанорозмірних літієвих батарей за допомогою Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): с. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Лі, К. Ян, Х. Яо, Х. Ванг, У. Лі, С. Чу та Ю. Куй, Взаємозв’язані порожнисті вуглецеві наносфери для стабільних анодів металів літію, Нат Нано, 2014. 9 (8): с. 618-623.
3. Б. Кемпбелл, Дж. Белл, Х. Хоссейні Бей, З. Фаворс, Р. Іонеску, К. С. Озкан та М. Озкан, частинки сірки з покриттям SiO2 з м'яко відновленим оксидом графену як катодного матеріалу для літій-сірчаних акумуляторів, Нанорозмір, 2015 рік.
4. Y. Yang, G. Zheng, Y. Cui, Nanostructured католи сірки, Огляди хімічного суспільства, 2013. 42 (7): с. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao, Y. Cui, Розуміння ролі різних кондуктивних полімерів у поліпшенні характеристик наноструктурованих катодів сірки, Нано листи, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.