Парадокс е, но въпреки огромния път по електрониката през последните 30 години, всички мобилни устройства все още са оборудвани с литиево-йонни батерии, които влязоха на пазара още през 1991 г., когато обичайният CD плейър беше върхът на инженерството в преносимите технологии.
Много полезни свойства на новите образци в електрониката и джаджи се изравняват от оскъдното време на захранване на тези устройства от мобилна батерия. Научният сапун и изобретателите щяха да пристъпят много отдавна, но те се пазят от "котвата" на батерията.
Нека да разгледаме какви технологии могат да трансформират света на електрониката в бъдеще.
Първо, малко история
Най-често литиево-йонните (Li-ion) батерии се използват в мобилни устройства (лаптопи, мобилни телефони, PDA и други). Това се дължи на техните предимства пред предишно широко използваните никел-метални хидридни (Ni-MH) и никел-кадмиеви (Ni-Cd) батерии.
Li-ion батериите имат много по-добри параметри. Трябва да се има предвид обаче, че Ni-Cd батериите имат едно важно предимство: способността да осигуряват високи токове на разреждане. Това свойство не е критично важно при захранване на лаптопи или мобилни телефони (където делът на Li-ion достига 80% и техният дял става все повече и повече), но има доста малко устройства, които консумират високи токове, например, всички видове електроинструменти, електрически самобръсначки и т.н. P. Досега тези устройства са били почти изключително домейн на Ni-Cd батерии. В момента обаче, особено във връзка с ограничаването на използването на кадмий в съответствие с директивата RoHS, изследванията за създаването на батерии без кадмий с висок ток на разреждане са се засилили.
Промоционално видео:
Първичните клетки ("батерии") с литиев анод се появяват в началото на 70-те години на 20 век и бързо намират приложение поради високата си специфична енергия и други предимства. Така се реализира дългогодишното желание да се създаде химически източник на ток с най-активното редуциращо вещество, алкален метал, което даде възможност за драстично увеличаване както на работното напрежение на акумулатора, така и на специфичната му енергия. Ако разработването на първични клетки с литиев анод беше увенчано със сравнително бърз успех и такива клетки твърдо заеха своето място като източници на енергия за преносимо оборудване, тогава създаването на литиеви батерии изпадна в основни трудности, които отнеха повече от 20 години.
След много тестове през 80-те години се оказа, че проблемът с литиевите батерии се усуква около литиевите електроди. По-точно около активността на лития: процесите, протичащи по време на работа, в крайна сметка доведоха до бурна реакция, наречена „вентилация с освобождаване на пламък“. През 1991 г. голям брой литиеви батерии бяха припомнени на производствените предприятия, които за първи път бяха използвани като източник на енергия за мобилни телефони. Причината - по време на разговор, когато консумацията на ток е максимална, от батерията се излъчва пламък, изгаряйки лицето на потребителя на мобилния телефон.
Поради нестабилността, присъща на металния литий, особено по време на зареждане, изследванията се преместиха в областта на създаване на батерия без използването на Li, но с помощта на нейните йони. Въпреки че литиево-йонните батерии осигуряват малко по-ниска енергийна плътност в сравнение с литиевите батерии, Li-ion батериите са безопасни, когато са снабдени с правилните условия за зареждане и разреждане. Те обаче не са имунизирани срещу експлозии.
В тази посока също, докато всичко се опитва да се развива и да не стои неподвижно. Например, учени от Nanyang Technological University (Сингапур) са разработили нов тип литиево-йонна батерия, която има рекордни резултати. Първо, той зарежда за 2 минути до 70% от максималния си капацитет. Второ, батерията работи почти без разграждане повече от 20 години.
Какво можем да очакваме следващото?
натрий
Според много изследователи именно този алкален метал трябва да замени скъпия и рядък литий, който освен това е химически активен и пожароопасен. Принципът на работа на натриевите батерии е подобен на този на литиевите - те използват метални йони за прехвърляне на заряд.
От години учени от различни лаборатории и институти се борят с недостатъците на натриевата технология, като бавно зареждане и ниски токове. Някои от тях успяха да разрешат проблема. Например, образците от предварително производство на батерии на BroadBit се зареждат за пет минути и имат един и половина до два пъти по-голям капацитет. След като получи няколко награди в Европа, като наградата за радар за иновации, наградата Eureka Innovest и редица други, компанията премина към сертифициране, изграждане на фабрика и получаване на патенти.
Графенът
Графенът е плоска кристална решетка с въглеродни атоми с дебелина един атом. Благодарение на огромната си повърхност в компактен обем, способен да съхранява заряд, графенът е идеално решение за създаване на компактни суперкондензатори.
Вече има експериментални модели с капацитет до 10 000 Farads! Такъв суперкондензатор е създаден от Sunvault Energy в сътрудничество с Edison Power. Разработчиците твърдят, че в бъдеще те ще представят модел, енергията на който ще бъде достатъчна за захранване на цялата къща.
Такива суперкондензатори имат много предимства: възможност за почти моментално зареждане, екологичност, безопасност, компактност, а също и ниска цена. Благодарение на новата технология за производство на графен, подобна на печат на 3D принтер, Sunvault обещава цената на батериите почти десет пъти по-ниска от тази на литиево-йонните технологии. Промишленото производство обаче е все още далеч.
Sanvault също има конкуренти. Група учени от университета в Суинбърн, Австралия, също представи суперкондензатор за графен, който има капацитет, съпоставим с литиево-йонните батерии. Може да се зареди за няколко секунди. В допълнение, той е гъвкав, което ще позволи да се използва в устройства с различни форми фактори и дори в умни дрехи.
Атомни батерии
Ядрените батерии все още са много скъпи. В близко бъдеще те няма да могат да се конкурират с познатите литиево-йонни батерии, но не можем да не ги споменем, защото източниците, които непрекъснато генерират енергия в продължение на 50 години, са много по-интересни от акумулаторните батерии.
Техният принцип на работа в известен смисъл е подобен на работата на слънчевите клетки, само че вместо слънцето източникът на енергия в тях са изотопи с бета радиация, която след това се абсорбира от полупроводникови елементи.
За разлика от гама лъчението, бета лъчението е практически безвредно. Това е поток от заредени частици и лесно се екранира от тънки слоеве от специални материали. Активно се абсорбира и от въздуха.
Днес разработката на такива батерии се извършва в много институти. В Русия NUST MISIS, MIPT и NPO Luch обявиха съвместната си работа в тази посока. По-рано подобен проект стартира и от Томския политехнически университет. И в двата проекта основното вещество е никел-63, получено чрез неутронно облъчване на изотопа никел-62 в ядрен реактор с допълнителна радиохимична обработка и отделяне в газови центрофуги. Първият прототип на батерията трябва да бъде готов през 2017 година.
Тези бета-волтаични захранвания обаче са с ниска мощност и изключително скъпи. В случай на руска разработка, прогнозната цена на миниатюрен източник на енергия може да бъде до 4,5 милиона рубли.
Атомно захранване на базата на тритий NanoTritium от City Labs.
Никел-63 също има конкуренти. Например, Университетът в Мисури експериментира със стронций-90 от дълго време и миниатюрни бета-волтаични батерии на базата на тритий могат да бъдат намерени в търговската мрежа. На цена от около хиляда долара те могат да захранват различни пейсмейкъри, сензори или да компенсират саморазреждането на литиево-йонни батерии.
Светеща ключодържател с тритий.
Експертите засега са спокойни
Въпреки подхода към масовото производство на първите натриеви батерии и активната работа по захранването с графен, експертите в бранша не прогнозират никакви революции за следващите няколко години.
Компанията Liteko, която работи под крилото на Rusnano и произвежда литиево-йонни батерии в Русия, смята, че все още няма причини за забавяне на растежа на пазара. „Постоянното търсене на литиево-йонни батерии се дължи предимно на тяхната висока специфична енергия (съхранявана на единица маса или обем). Според този параметър те нямат конкуренти сред акумулаторните източници на енергия, произвеждани в серия в момента “, коментират от компанията.
В случай на търговски успех на същите натриеви батерии BroadBit, пазарът може да се преформатира след няколко години. Освен ако собствениците и акционерите не искат да спечелят много пари от новата технология.
