Futurology 1.1: a kisebb, nagyobb kapacitású akkumulátorok közelebb állnak, mint valaha

Az év elején a Smartphone Futurology sorozatban megbeszéljük az okostelefonok akkumulátorának mögötti technológiát és a jövőbeni lehetőségeket. Ez a cikk egy gyors frissítés ehhez a cikkhez, a lítium kémián alapuló akkumulátorok legutóbbi fejleményeit szemléltetve - például azokat, amelyek az okostelefonok túlnyomó részét táplálják.

Közelebbről megvizsgáljuk, mi csökkenti a telefon akkumulátorának élettartamát az idő múlásával, és hogy a nagy kapacitású technológiák, mint például a lítium-kén akkumulátorok és a lítium-fém anódok közelebb állnak, mint valaha, a gyakorlatiasá váláshoz. Csatlakozzon a szünet után.

: A legújabb áttörések a telefon akkumulátor technológiájában

Miért csökken az akkumulátor kapacitása az idő múlásával?

Kép jóváírása: Közös Energiatároló Kutatóközpont

Az Egyesült Államokban az Energiatároló Kutatás Közös Központja által vezetett csoportnak sikerült bizonyítékokat gyűjtenie a lítium akkumulátorok idővel történő romlása miatti folyamatokról . Eredeti cikkemben megemlítettem a lítium-fém anódokon lévő dendrites (faként elágazó) növekedéseket, amelyek idővel csökkentik az akkumulátor kapacitását.

Lítium-fém lerakódás a Li-po elektródán az idő múlásával

Hitel: Közös Energiatároló Kutatóközpont

A csoport új módszert fejlesztett ki a STEM (pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópia - egy módszer hihetetlenül kicsi szerkezetek elemzésére) felhasználásával, hogy megfigyelje ezeket a lerakódásokat egy lítium-polimer elemben az idő múlásával.

A lítium akkumulátor anódja határozza meg a teljes kapacitást, és ezek a növekedések megzavarják, hogy az anód mennyire képes tárolni a lítium ionokat, és ezáltal csökkenti az akkumulátor kapacitását. Azt is kimutatták, hogy ezek a lítium-fém dendritikus növekedések veszélyesek lehetnek, és belső hibákat okozhatnak, amelyek az akkumulátor ballonjának felgyulladásához, vagy ami még rosszabb, felrobban .

Az áttöréses képességgel, hogy megfigyelje az ilyen folyamatokat, a csoport képes volt meghatározni azokat a tényezőket, amelyek kontrollálják ezeket a növekedéseket, amelyek segítenek a terület kutatóinak javítani a kereskedelmi lítium alapú akkumulátorok hosszú élettartamát és biztonságát.

Javítások a lítium-kénben

Kép jóváírása: Kaliforniai Egyetem

Drámai mértékben megnőtt a lítium-kéntechnológiával kapcsolatos közzétett tanulmányok száma, és amint azt korábban kifejtettük, a technológiát a lítium-elemtechnológia következő iterációjának tekintik, amely a széles körben alkalmazott lítium-polimer cellák helyébe lép. Összefoglalva:

A lítium-kén rendkívül vonzó pótlása a jelenlegi technológiák számára, mivel ugyanolyan könnyű előállítani, és nagyobb a töltési kapacitása. Ennél is jobb, ha nem igényel erősen illékony oldószereket, amelyek drasztikusan csökkentik a rövidzárlat és a lyukasztásból származó tűz kockázatát.

Bővebben a lítium-kén és más jövőbeli akkumulátor-technológiákról

A közelmúltban egy csoport a kaliforniai egyetemen megoldotta a lítium-kén kémiával kapcsolatos egyik kérdést, és a múlt hónapban publikált róla papírt .

Mivel a Li-S akkumulátorok hosszú élettartamával kapcsolatos kérdések megoldódtak, a technológia tovább halad a gyakorlati valóság felé.

A töltési és kisülési folyamatokban zajló kémiai reakciók során poliszulfid láncok alakulnak ki. Ezeknek a láncoknak ép elektroliton keresztül kell folyniuk, és itt merül fel a kérdés, hogy a poliszulfid olykor feloldódik az oldatban. és nagymértékben befolyásolja az akkumulátor hosszú élettartamát.

A csoport kifejlesztett egy módszert ezeknek a poliszulfidoknak a nanoszférába történő bevonására egy vékony szilícium-dioxid (lényegében üveg) réteg alkalmazásával, amely tartja a poliszulfidot távol az elektrolittól, miközben könnyen mozoghat rajta az elektródok között. Az ilyen kérdéseket számos szorgalmas kutatócsoport folyamatosan megoldja, és a lítium-kén akkumulátorok jövője telefonjaink minden nap közelebb kerülnek egymáshoz.

Lítium-fém anódok jönnek létre

Kép jóváírása: SolidEnergy Systems

Ha emlékszel az akkumulátor futurológiájáról szóló cikkre, megemlítettem, hogy az anód anyagának „szent grálja” az anód anyagok „szent graálja” az anód anyagok „szent graálja” felhasználása révén.

A SolidEnergy Systems Corp. bemutatta "anód nélküli" lítium elemét, amely lényegében a normál grafit és kompozit anódokat vékony lítium fém anódokkal helyettesíti. Azt állítják, hogy megduplázják az energia sűrűségét egy grafit anódhoz képest, és 50% -kal egy szilícium kompozit anódhoz képest.

A legújabb „anód nélküli” akkumulátorok azt állítják, hogy megduplázzák az energia-sűrűséget, ami jelenleg a telefonban van.

A fenti kép, amelyet a SolidEnergy közzétett, segít megmutatni a drasztikus méretcsökkenést, bár megemlítenem kell, hogy kissé félrevezető. Mind a Xiaomi, mind a Samsung akkumulátorokat cserélhetőkként tervezték, tehát további műanyag héjjal és kiegészítő elektronikával, például töltőáramkörrel vagy akár (egyes Samsung akkumulátoroknál) egy NFC antennával lenne szükség.

Ennek ellenére a BBC hírlevelében láthatja az iPhone 1, 8 Ah belső akkumulátor és a 2, 0 Ah SolidEnergy akkumulátor közötti jelentős különbséget.

Mit jelent ez az egész?

Több gyártó zászlóshajós telefonjaival - köztük a Samsung Galaxy S6-val és az Apple iPhone 6-val - vékonyabb kialakítás felé tolódik el, a sűrűbb akkumulátorok iránti igény még nagyobb. Ha több akkumulátort tölt be egy kisebb területre, akkor lehetővé válik, hogy több napos használatot vegyen igénybe a nagyobb "phablet" stílusú kézibeszélőkből, miközben több levet biztosít a jövő energiaigényes processzorainak.

Olyan jövőre nézünk, ahol minden eddiginél könnyebb lesz elkerülni a rettegett, elhalt okostelefon akkumulátort.

És amikor lítium-kén akkumulátorokról van szó, a rövidzárlat vagy a lyukasztás csökkentett tűzveszélyének eszközöket biztonságosabbá kell tennünk, és kevésbé veszélyesek (és költségesek) a gyártók számára a szállításhoz.

Kombináljuk ezt a gyorsabb töltés és az utóbbi években a vezeték nélküli töltés terén elért haladással, és egy olyan jövőre nézünk, ahol minden eddiginél könnyebb lesz elkerülni az elhasználódott okostelefon-akkumulátort.

Tehát mikor fogjuk látni, hogy ezek az új technológiák elérhetővé válnak? A SolidEnergy becslése szerint "anódmentes" megoldása 2016-ban meg fog jelenni a piacon, és hasonló ütemtervet is nézünk a Li-S akkumulátorokra vonatkozóan, figyelembe véve a technológia közelmúltbeli fejleményeit. Ez nem azt jelenti, hogy a következő évben valódi mobil eszközöket szállítanak - mindazonáltal az akkumulátor-technológia forradalma, amelyet mindannyian várunk, nem lehet messze.

További futurológia: Olvassa el az okostelefon-tech jövőjét

Irodalom

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 és ND Browning, a nanoméretű folyamatok megfigyelése és számszerűsítése lítium akkumulátorokban Operando Electrochemical (S) TEM segítségével, Nano Letters, 2015. 15 (3): p. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu és Y. Cui, Összekapcsolt üreges szén nanoszférák stabil lítium-fém anódokhoz, Nat Nano, 2014. 9 (8): p. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan és M. Ozkan, SiO2-val bevont kénrészecskék enyhén redukált grafén-oxiddal, mint katód anyag lítium-kén elemekhez, nanoméret, 2015.
4. Y. Yang, Zheng G. és Y. Cui, Nanostrukturált kénkatódok, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): 1. o. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, Zheng, ZW Seh, H. Yao és Y. Cui: A különféle vezetőképes polimerek szerepének megértése a nanoszerkezetű kénkatód teljesítményének javításában, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.