To je paradoks, ali unatoč ogromnom putu elektronike u posljednjih 30 godina, svi su mobilni uređaji još uvijek opremljeni litij-ionskim baterijama, koji su na tržište ušli već 1991. godine, kada je uobičajeni CD uređaj bio vrhunac inženjerstva u prenosivoj tehnologiji.
Mnoga korisna svojstva novih uzoraka u elektronici i uređajima izjednačuju se oskudnim vremenom napajanja ovih uređaja iz mobilne baterije. Znanstveni sapun i izumitelji odavno bi napustili korak, ali ih drži "sidro" baterije.
Pogledajmo koje tehnologije mogu transformirati svijet elektronike u budućnosti.
Prvo malo povijesti
Najčešće se litij-ionske (Li-ion) baterije koriste u mobilnim uređajima (prijenosna računala, mobilni telefoni, PDA uređaji i drugi). To je zbog njihovih prednosti u odnosu na prethodno široko korištene nikl-metal hidridne (Ni-MH) i nikl-kadmijeve (Ni-Cd) baterije.
Li-ionske baterije imaju puno bolje parametre. Međutim, treba imati na umu da Ni-Cd baterije imaju jednu važnu prednost: mogućnost da osiguravaju visoku struju pražnjenja. Ovo svojstvo nije kritično važno za napajanje prijenosnih računala ili mobitela (gdje udio Li-iona doseže 80%, a njihov udio postaje sve veći), ali postoji prilično malo uređaja koji troše velike struje, na primjer, sve vrste električnih alata, električnih brijača itd. P. Do sada su ti uređaji bili gotovo isključivo domena Ni-Cd baterija. Međutim, trenutno, posebno u vezi s ograničenjem uporabe kadmija u skladu s RoHS direktivom, istraživanja o stvaranju baterija bez kadmija s visokom strujom pražnjenja pojačana su.
Promotivni video:
Primarne ćelije ("baterije") s litij anodom pojavile su se ranih 70-ih godina 20. stoljeća i brzo su našle primjenu zbog visoke specifične energije i drugih prednosti. Tako se ostvarila dugogodišnja želja za stvaranjem kemijskog izvora struje s najaktivnijim redukcijskim sredstvom, alkalnim metalom, što je omogućilo dramatično povećanje radnog napona akumulatora i njegove specifične energije. Ako je razvoj primarnih ćelija s litij-anodom okrunjen relativno brzim uspjehom i takve su stanice čvrsto zauzele svoje mjesto kao izvori energije za prijenosnu opremu, tada je stvaranje litij-akumulatora naišlo na temeljne poteškoće, na kojima je bilo potrebno više od 20 godina.
Nakon brojnih ispitivanja tijekom 1980-ih, pokazalo se da je problem litij-akumulatora uvijen oko litijumskih elektroda. Preciznije, oko aktivnosti litija: procesi koji su se odvijali tijekom rada na kraju su doveli do burne reakcije, nazvane "prozračivanje s emisijom plamena". 1991. godine u proizvodna postrojenja povučen je veliki broj litijumskih baterija koji su prvi put korišteni kao izvor napajanja za mobilne telefone. Razlog - tijekom razgovora, kada je trenutna potrošnja najveća, iz baterije se emitirao plamen koji je spalio lice korisnika mobilnog telefona.
Zbog nestabilnosti svojstvene metalnom litiju, posebno tijekom punjenja, istraživanje je prešlo u polje stvaranja baterije bez upotrebe Li, ali koristeći njegove ione. Iako litij-ionske baterije daju nešto nižu gustoću energije od litijumskih baterija, Li-ionske baterije su sigurne ako imaju ispravne uvjete punjenja i pražnjenja. Međutim, nisu imuni na eksplozije.
I u tom se smjeru, dok se sve pokušava razvijati i ne miriti. Primjerice, znanstvenici s Nanyang Technological University (Singapur) razvili su novu vrstu litij-ionske baterije koja ima rekordne performanse. Prvo se puni u 2 minute do 70% njegovog najvećeg kapaciteta. Drugo, baterija radi gotovo bez degradacije više od 20 godina.
Što možemo očekivati sljedeće?
Natrij
Prema mnogim istraživačima, upravo ovaj alkalni metal trebao bi zamijeniti skup i rijetki litij, koji je, osim toga, kemijski aktivan i opasan od požara. Princip rada natrijevih baterija sličan je principu litijskih - oni koriste metalne ione za prijenos naboja.
Godinama su se znanstvenici iz različitih laboratorija i instituta borili s nedostatcima natrijeve tehnologije, kao što su sporo punjenje i mala struja. Neki su uspjeli riješiti problem. Na primjer, predprodukcijski uzorci BroadBit-ovih baterija pune se za pet minuta i imaju jedan i pol do dva puta veći. Nakon što je primila nekoliko nagrada u Europi, poput nagrade za inovacije, radarsku nagradu, nagradu Eureka Innovest i niz drugih, tvrtka je krenula na certificiranje, izgradnju tvornice i dobivanje patenata.
Grafen
Grafen je ravna kristalna mreža ugljikovih atoma debljine jedan atom. Zahvaljujući ogromnoj površini u kompaktnom volumenu, sposobnom za spremanje naboja, grafen je idealno rješenje za stvaranje kompaktnih superkondenzatora.
Već postoje eksperimentalni modeli s kapacitetom do 10 000 Faradsa! Takav superkapacitor stvorio je Sunvault Energy u suradnji s Edison Power-om. Programeri tvrde da će u budućnosti predstaviti model, čija će energija biti dovoljna za napajanje cijele kuće.
Takvi superkondenzatori imaju brojne prednosti: mogućnost gotovo trenutačnog punjenja, ekološka prijatnost, sigurnost, kompaktnost, a također niski troškovi. Zahvaljujući novoj tehnologiji za proizvodnju grafena, sličnoj ispisu na 3D pisaču, Sunvault obećava da će cijene baterija biti gotovo deset puta manje nego li litij-ionske tehnologije. Međutim, industrijska je proizvodnja još uvijek daleko.
Sanvault također ima konkurente. Skupina znanstvenika sa Sveučilišta u Swinburnu u Australiji također je predstavila superkondenzator grafen, koji ima kapacitet usporediv s litij-ionskim baterijama. Može se napuniti u nekoliko sekundi. Osim toga, fleksibilan je, što će mu omogućiti upotrebu u uređajima različitih faktora oblika, pa čak i u pametnoj odjeći.
Atomske baterije
Nuklearne baterije su još uvijek vrlo skupe. U bliskoj se budućnosti neće moći natjecati s poznatim litij-ionskim baterijama, no ne možemo ih spomenuti jer su izvori koji energiju kontinuirano proizvode već 50 godina mnogo zanimljiviji od punjivih baterija.
Njihovo načelo djelovanja, u izvjesnom smislu, slično je djelovanju solarnih ćelija, samo što umjesto sunca, izvor energije u njima su izotopi s beta-zračenjem, koji se potom apsorbiraju od poluvodičkih elemenata.
Za razliku od gama zračenja, beta zračenje je praktično bezopasno. To je struja nabijenih čestica i lako je zaštićena tankim slojevima posebnih materijala. Također se aktivno apsorbira zrakom.
Danas se razvoj takvih baterija provodi u mnogim institutima. U Rusiji su NUST MISIS, MIPT i NPO Luch najavili svoj zajednički rad u tom smjeru. Ranije je sličan projekt pokrenulo Veleučilište Tomsk. U oba projekta glavna supstanca je nikal-63, dobivena neutronskim zračenjem izotopa nikla-62 u nuklearnom reaktoru uz daljnju radiokemijsku obradu i odvajanje u plinskim centrifugama. Prvi prototip baterije trebao bi biti spreman u 2017. godini.
Međutim, ova beta-voltaična napajanja su male snage i izuzetno su skupa. U slučaju ruskog razvoja, procijenjeni trošak minijaturnog izvora energije može biti do 4,5 milijuna rubalja.
Atomsko napajanje na temelju tritija NanoTritium iz City Labs-a.
Nikal-63 također ima konkurente. Na primjer, Sveučilište u Missouriju već dugo eksperimentira sa stroncijem-90, a minijaturne beta-voltaične baterije na bazi tricija mogu se naći na komercijalnoj osnovi. Po cijeni od tisuću dolara, oni mogu napajati razne pejsmejkere, senzore ili nadoknaditi samopražnjenje litij-ionskih baterija.
Svjetlosni privjesak za ključeve s tritijem.
Stručnjaci su za sada mirni
Unatoč pristupu serijskoj proizvodnji prvih natrijevih baterija i aktivnom radu na napajanjima s grafenom, stručnjaci u industriji ne predviđaju revolucije u sljedećih nekoliko godina.
Tvrtka Liteko, koja djeluje pod krilom Rusnana i proizvodi litij-ionske baterije u Rusiji, smatra da još nema razloga za usporavanje rasta tržišta. Stalna potražnja za litij-ionskim baterijama prvenstveno je posljedica njihove visoke specifične energije (pohranjene po jedinici mase ili zapremine). Prema ovom parametru, oni trenutno nemaju konkurenta među punjivim kemijskim izvorima energije koji se proizvode u serijskim serijama “, komentira tvrtka.
Međutim, u slučaju komercijalnog uspjeha istih natrijevih baterija BroadBita, tržište se može preoblikovati za nekoliko godina. Osim ako vlasnici i dioničari ne žele zaraditi puno novca na novoj tehnologiji.
