Paradoks je, a kljub ogromni poti, ki jo je opravila elektronika v zadnjih 30 letih, so vse mobilne naprave še vedno opremljene z litij-ionskimi baterijami, ki so na trg prišle že leta 1991, ko je bil običajni CD predvajalnik vrhunec inženiringa v prenosni tehnologiji.
Številne uporabne lastnosti novih vzorcev v elektroniki in pripomočkih so izravnane zaradi skromnega časa napajanja teh naprav iz mobilne baterije. Znanstvena mila in izumitelji bi že zdavnaj stopili korak naprej, vendar jih hrani "sidro" baterije.
Oglejmo si, katere tehnologije lahko spremenijo svet elektronike v prihodnosti.
Najprej malo zgodovine
Najpogosteje se litij-ionske (Li-ion) baterije uporabljajo v mobilnih napravah (prenosni računalniki, mobilni telefoni, dlančniki in drugi). To je posledica njihovih prednosti pred prej razširjenimi nikelj-kovinske hidridne (Ni-MH) in nikelj-kadmijeve (Ni-Cd) baterije.
Li-ionske baterije imajo veliko boljše parametre. Vendar je treba upoštevati, da imajo Ni-Cd baterije eno pomembno prednost: zmožnost zagotavljanja visokih izpraznjevalnih tokov. Ta lastnost ni kritično pomembna pri napajanju prenosnikov ali mobilnih telefonov (kjer delež Li-iona doseže 80% in njihov delež postaja vedno večji), vendar obstaja kar nekaj naprav, ki porabijo visoke tokove, na primer vsakovrstna električna orodja, električni brivniki itd. P. Do zdaj so bile te naprave skoraj izključno domena Ni-Cd baterij. Vendar pa se trenutno, zlasti v zvezi z omejevanjem uporabe kadmija v skladu z direktivo RoHS, intenzivirajo raziskave o nastanku baterij brez kadmija z velikim izpraznjevalnim tokom.
Promocijski video:
Primarne celice ("baterije") z litijevo anodo so se pojavile v zgodnjih 70. letih 20. stoletja in so zaradi visoke specifične energije in drugih prednosti hitro našle uporabo. Tako se je uresničila dolgoletna želja po ustvarjanju kemičnega vira toka z najaktivnejšim reducirnim sredstvom, alkalno kovino, kar je omogočilo dramatično povečanje delovne napetosti akumulatorja in njegove specifične energije. Če je bil razvoj primarnih celic z litijevo anodo okronan z razmeroma hitrim uspehom in so takšne celice trdno zavzele svoje mesto vira energije za prenosno opremo, je ustvarjanje litijevih baterij naletelo na temeljne težave, ki so potrebovale več kot 20 let.
Po številnih testiranjih skozi osemdeseta leta se je izkazalo, da se problem litijevih baterij zasuka okoli litijevih elektrod. Natančneje, okoli aktivnosti litija: procesi, ki so se odvijali med delovanjem, so na koncu privedli do silovite reakcije, imenovane "prezračevanje z oddajanjem plamena". Leta 1991 je bilo v proizvodnih obratih odpoklicano veliko litijevih baterij, ki so bile prvič uporabljene kot vir energije za mobilne telefone. Razlog - med pogovorom, ko je trenutna poraba največja, se je iz baterije izpustil plamen, ki je zažgal obraz uporabnika mobilnega telefona.
Zaradi nestabilnosti kovinskega litija, zlasti med polnjenjem, so se raziskave preselile na področje ustvarjanja baterije brez uporabe Li, vendar z uporabo njegovih ionov. Čeprav litij-ionske baterije zagotavljajo nekoliko nižjo gostoto energije kot litijeve baterije, so Li-ionske baterije varne, če imajo ustrezne pogoje polnjenja in praznjenja. Vendar pa niso imune proti eksplozijam.
Tudi v tej smeri, medtem ko se vse poskuša razvijati in ne stati. Na primer, znanstveniki z tehnološke univerze Nanyang (Singapur) so razvili novo vrsto litij-ionske baterije, ki ima rekordne zmogljivosti. Najprej napolni v 2 minutah do 70% svoje največje zmogljivosti. Drugič, baterija deluje skoraj brez razgradnje že več kot 20 let.
Kaj lahko pričakujemo naprej?
Natrij
Po mnenju številnih raziskovalcev naj bi ravno ta alkalna kovina nadomestila drag in redek litij, ki je poleg tega kemično aktiven in ognjevarn. Načelo delovanja natrijevih baterij je podobno kot litijeve - za prenos polnjenja uporabljajo kovinske ione.
Znanstveniki iz različnih laboratorijev in inštitutov se že leta spopadajo s pomanjkljivostmi natrijeve tehnologije, kot sta počasno polnjenje in nizki tokovi. Nekaterim je uspelo rešiti težavo. Na primer, predprodukcijski vzorci baterij BroadBit se napolnijo v petih minutah in imajo eno in pol do dvakrat večjo kapaciteto. Po prejemu številnih nagrad v Evropi, kot so nagrada za radarstvo za inovacije, nagrada Eureka Innovest in številne druge, se je podjetje lotilo certificiranja, gradnje tovarn in pridobivanja patentov.
Graphene
Grafen je ploščata kristalna rešetka ogljikovih atomov debela en atom. Zahvaljujoč svoji ogromni površini v kompaktni prostornini, ki omogoča shranjevanje naboja, je grafen idealna rešitev za ustvarjanje kompaktnih superkondenzatorjev.
Obstajajo že eksperimentalni modeli z zmogljivostjo do 10.000 Farads! Tak superpogonski kondenzator je ustvaril Sunvault Energy v sodelovanju z Edison Power. Razvijalci trdijo, da bodo v prihodnosti predstavili model, katerega energija bo dovolj za napajanje celotne hiše.
Takšni superkondenzatorji imajo številne prednosti: možnost skoraj takojšnjega polnjenja, prijaznosti do okolja, varnosti, kompaktnosti in tudi nizkih stroškov. Zahvaljujoč novi tehnologiji za proizvodnjo grafena, podobnem tiskanju na 3D tiskalniku, Sunvault obljublja, da bodo stroški baterij skoraj desetkrat manjši od stroškov litij-ionske tehnologije. Vendar je industrijska proizvodnja še vedno daleč.
Sanvault ima tudi tekmece. Skupina znanstvenikov z Univerze v Swinburnu v Avstraliji je predstavila tudi grafenski kondenzator, ki ima zmogljivost, primerljivo z litij-ionskimi baterijami. Napolni se lahko v nekaj sekundah. Poleg tega je prilagodljiv, kar mu bo omogočilo uporabo v napravah različnih oblik faktorjev in celo v pametnih oblačilih.
Atomske baterije
Jedrske baterije so še vedno zelo drage. V bližnji prihodnosti ne bodo mogli konkurirati že znanim litij-ionskim baterijam, vendar jih ne moremo ne omeniti, saj so viri, ki že 50 let neprekinjeno proizvajajo energijo, veliko bolj zanimivi od polnilnih baterij.
Njihovo načelo delovanja je v nekem smislu podobno delovanju sončnih celic, le da so namesto sonca vir energije v njih izotopi z beta sevanjem, ki jih nato absorbirajo polprevodniški elementi.
Za razliko od gama sevanja je beta sevanje praktično neškodljivo. Je tok nabitih delcev in ga zlahka ščitijo tanke plasti posebnih materialov. Aktivno ga absorbira tudi zrak.
Danes razvoj takšnih baterij poteka v mnogih inštitutih. V Rusiji so NUST MISIS, MIPT in NPO Luch napovedali svoje skupno delo v tej smeri. Pred tem je podoben projekt sprožila tudi Tomska politehnična univerza. V obeh projektih je glavna snov nikelj-63, dobljena z nevtronskim obsevanjem izotopa niklja-62 v jedrskem reaktorju z nadaljnjo radiokemično obdelavo in ločevanjem v plinskih centrifugah. Prvi prototip baterije naj bi bil pripravljen leta 2017.
Vendar so ti beta-voltaični napajalniki majhne moči in izjemno dragi. V primeru ruskega razvoja lahko ocenjeni stroški miniaturnega vira energije znašajo do 4,5 milijona rubljev.
Atomsko napajanje na osnovi tritija NanoTritium iz City Labs.
Nikelj-63 ima tudi tekmece. Na primer, univerza v Missouriju že dolgo eksperimentira s stroncijem-90, miniaturne beta-voltaične baterije, ki temeljijo na tritiju, pa je mogoče najti v komercialni obliki. Po ceni v višini tisoč dolarjev so sposobni napajati različne srčne spodbujevalnike, senzorje ali kompenzirati samo-praznjenje litij-ionskih baterij.
Svetleča obeska za ključe s tritijem.
Strokovnjaki so za zdaj mirni
Kljub pristopu k množični proizvodnji prvih natrijevih baterij in aktivnemu delu na napajanju z grafenom, strokovnjaki v industriji ne napovedujejo nobenih revolucij v naslednjih nekaj letih.
Družba Liteko, ki deluje pod krilom Rusnana in v Rusiji proizvaja litij-ionske baterije, meni, da še ni razlogov za upočasnitev rasti trga. Stalno povpraševanje po litij-ionskih baterijah je predvsem posledica njihove visoke specifične energije (shranjene na enoto mase ali prostornine). V skladu s tem parametrom trenutno nimajo konkurentov med polnilnimi kemičnimi viri energije, ki jih trenutno proizvajajo serijsko, «komentirajo v podjetju.
V primeru komercialnega uspeha istih natrijevih baterij BroadBit se lahko trg v nekaj letih preoblikuje. Razen če lastniki in delničarji ne želijo veliko zaslužiti za novo tehnologijo.
