Je to paradox, ale navzdory ohromné cestě, kterou elektronika prošla za posledních 30 let, jsou všechna mobilní zařízení stále vybavena lithium-iontovými bateriemi, které vstoupily na trh již v roce 1991, kdy byl obvyklý přehrávač CD vrcholem techniky v přenosné technologii.
Mnoho užitečných vlastností nových vzorků v elektronice a miniaplikacích je vyrovnáno zdlouhavou dobou napájení těchto zařízení z mobilní baterie. Vědecké mýdlo a vynálezci by už dávno pokročili kupředu, ale jsou drženi „kotvou“baterie.
Pojďme se podívat, jaké technologie mohou transformovat svět elektroniky v budoucnosti.
Za prvé, trochu historie
Lithiové iontové (Li-ion) baterie se nejčastěji používají v mobilních zařízeních (notebooky, mobilní telefony, PDA a další). To je způsobeno jejich výhodami oproti dříve používaným nikl-metal hydridovým (Ni-MH) a nikl-kadmiovým (Ni-Cd) bateriím.
Li-ion baterie mají mnohem lepší parametry. Je však třeba mít na paměti, že Ni-Cd baterie mají jednu důležitou výhodu: schopnost poskytovat vysoké vybíjecí proudy. Tato vlastnost není kriticky důležitá při napájení notebooků nebo mobilních telefonů (kde podíl lithium-iontů dosahuje 80% a jejich podíl stále roste), ale existuje několik zařízení, která spotřebovávají vysoké proudy, například všechny druhy elektrického nářadí, elektrické holicí strojky atd. P. Až dosud byla tato zařízení téměř výhradně doménou Ni-Cd baterií. V současné době se však zejména v souvislosti s omezením používání kadmia v souladu se směrnicí RoHS zintenzivnil výzkum v oblasti vytváření baterií bez kadmia s vysokým vybíjecím proudem.
Propagační video:
Primární články („baterie“) s lithiovou anodou se objevily na počátku 70. let 20. století a díky své vysoké specifické energii a dalším výhodám rychle našly uplatnění. Tak byla realizována dlouhodobá touha vytvořit zdroj chemického proudu s nejaktivnějším redukčním činidlem, alkalickým kovem, což umožnilo dramaticky zvýšit jak provozní napětí baterie, tak její specifickou energii. Pokud byl vývoj primárních článků s lithiovou anodou korunován relativně rychlým úspěchem a takové buňky pevně zaujaly své místo jako zdroje energie pro přenosná zařízení, pak výroba lithiových baterií narazila na základní potíže, které překonání trvalo více než 20 let.
Po mnoha testech v 80. letech se ukázalo, že problém lithiových baterií je překroucen kolem lithiových elektrod. Přesněji řečeno kolem aktivity lithia: procesy, ke kterým došlo během provozu, nakonec vedly k prudké reakci, která se nazývala „ventilace s emisemi plamene“. V roce 1991 bylo do výrobních závodů odvoláno velké množství lithiových baterií, které byly poprvé použity jako zdroj energie pro mobilní telefony. Důvod - během konverzace, kdy je aktuální spotřeba maximální, byl z baterie vydán plamen, který spálil obličej uživatele mobilního telefonu.
Kvůli nestabilitě spojené s kovovým lithiem, zejména během nabíjení, se výzkum přesunul do oblasti vytváření baterie bez použití Li, ale s využitím jejích iontů. Ačkoli lithium-iontové baterie poskytují o něco nižší energetickou hustotu než lithiové, Li-ion baterie jsou bezpečné, pokud jsou dodány se správnými podmínkami nabíjení a vybíjení. Nejsou však imunní vůči výbuchům.
I v tomto směru, i když se vše snaží rozvíjet a nestát. Například vědci z Nanyang technologické univerzity v Singapuru vyvinuli nový typ lithium-iontové baterie, která má rekordní výkon. Nejprve se za 2 minuty účtuje 70% své maximální kapacity. Za druhé, baterie již téměř 20 let funguje téměř bez poškození.
Co můžeme očekávat dále?
Sodík
Podle mnoha vědců by tento alkalický kov měl nahradit drahé a vzácné lithium, které je navíc chemicky aktivní a nebezpečné pro oheň. Princip činnosti sodíkových baterií je podobný principu lithia - k přenosu náboje používají kovové ionty.
Vědci z různých laboratoří a ústavů již léta bojují s nevýhodami sodíkové technologie, jako je pomalé nabíjení a nízké proudy. Někteří z nich dokázali problém vyřešit. Například předprodukční vzorky baterií BroadBit se nabíjí za pět minut a mají jeden a půl až dvakrát větší kapacitu. Po získání několika ocenění v Evropě, jako je cena Innovation Radar Prize, cena Eureka Innovest Award a několik dalších, společnost přešla na certifikaci, výstavbu továrny a získání patentů.
Graphene
Graphene je plochá krystalová mřížka atomů uhlíku jeden atom tlustý. Díky své obrovské ploše v kompaktním objemu, schopném ukládat náboj, je grafen ideálním řešením pro vytváření kompaktních superkondenzátorů.
Již existují experimentální modely s kapacitou až 10 000 Faradů! Takový superkondenzátor byl vytvořen společností Sunvault Energy ve spolupráci s Edison Power. Vývojáři tvrdí, že v budoucnu představí model, jehož energie bude stačit k pohonu celého domu.
Takové superkondenzátory mají mnoho výhod: možnost téměř okamžitého nabíjení, šetrnost k životnímu prostředí, bezpečnost, kompaktnost a také nízké náklady. Díky nové technologii výroby grafenu, která se podobá tisku na 3D tiskárně, Sunvault slibuje náklady na baterie téměř desetkrát nižší než náklady na lithium-iontové technologie. Průmyslová výroba je však stále daleko.
Sanvault má také konkurenty. Skupina vědců z University of Swinburn v Austrálii také představila superkondenzátor grafenu, který má kapacitu srovnatelnou s lithium-iontovými bateriemi. Lze ji nabít za několik sekund. Kromě toho je flexibilní, což mu umožní použití v zařízeních různých tvarových faktorů, a dokonce i v chytrých oděvech.
Atomové baterie
Jaderné baterie jsou stále velmi drahé. V blízké budoucnosti nebudou moci konkurovat známým lithium-iontovým bateriím, ale nemůžeme je opomenout zmínit, protože zdroje, které nepřetržitě vyrábějí energii po dobu 50 let, jsou mnohem zajímavější než dobíjecí baterie.
Jejich princip činnosti je v jistém smyslu podobný provozu solárních článků, pouze místo slunce je zdrojem energie izotopy s beta zářením, které je absorbováno polovodičovými prvky.
Na rozdíl od záření gama je záření beta prakticky neškodné. Je to proud nabitých částic a je snadno stíněn tenkými vrstvami speciálních materiálů. Je také aktivně absorbován vzduchem.
V současnosti se vývoj takových baterií provádí v mnoha ústavech. V Rusku NUST MISIS, MIPT a NPO Luch oznámily svou společnou práci tímto směrem. Dříve podobný projekt zahájila Tomskova polytechnická univerzita. V obou projektech je hlavní látkou nikl-63, získaný neutronovým ozářením izotopu niklu-62 v jaderném reaktoru s dalším radiochemickým zpracováním a separací v plynových odstředivkách. První prototyp baterie by měl být připraven v roce 2017.
Tyto zdroje beta-voltaic jsou však nízké a extrémně drahé. V případě ruského vývoje mohou být odhadované náklady na miniaturní zdroj energie až 4,5 milionu rublů.
Atomový napájecí zdroj založený na tritiu NanoTritium od City Labs.
Nickel-63 má také konkurenty. Například Missourská univerzita dlouhodobě experimentuje se stronciom-90 a komerčně lze nalézt miniaturní beta-voltaické baterie založené na tritiu. Za cenu v oblasti tisíce dolarů jsou schopni napájet různé kardiostimulátory, senzory nebo kompenzovat samovybíjení lithium-iontových baterií.
Světelná klíčenka s tritiem.
Experti jsou prozatím klidní
Přes přístup k hromadné výrobě prvních sodíkových baterií a aktivní práci na grafenových napájecích zdrojích odborníci v oboru nepředpovídají žádné revoluce v příštích několika letech.
Společnost Liteko, která působí pod křídlem Rusnana a vyrábí lithium-iontové baterie v Rusku, se domnívá, že zatím neexistují důvody pro zpomalení růstu trhu. „Stálá poptávka po lithium-iontových bateriích je způsobena především jejich vysokou měrnou energií (uloženou na jednotku hmotnosti nebo objemu). Podle tohoto parametru nemají v současné době mezi dobíjecími zdroji chemické energie vyráběnými v sérii konkurenty, “komentuje společnost.
V případě komerčního úspěchu stejných sodíkových baterií BroadBit se však trh může přeformátovat za několik let. Pokud majitelé a akcionáři nechtějí vydělat spoustu peněz na nové technologii.