Paradoxon, de annak ellenére, hogy az elektronika az utóbbi 30 évben hatalmas utat hajtott végre, minden mobil eszköz fel van szerelve lítium-ion akkumulátorokkal, amelyek már 1991-ben piacra léptek, amikor a szokásos CD-lejátszó a hordozható technológia mérnököinek csúcspontja volt.
Az új minták sok hasznos tulajdonságát az elektronikában és a készülékekben kiegyenlíti az ezen eszközök mobiltelefonos akkumulátorról történő kevés tápellátási ideje. A tudományos szappan és a feltalálók már régen előreléptek volna, ám ezeket az akkumulátor „horgonya” tartja.
Vessen egy pillantást arra, hogy milyen technológiák képesek a jövőben átalakítani az elektronikai világot.
Először egy kis történelem
Leggyakrabban a lítium-ion (Li-ion) akkumulátorokat használják mobil eszközökben (laptopok, mobiltelefonok, PDA-k és mások). Ennek oka a korábban széles körben alkalmazott nikkel-fém-hidrid (Ni-MH) és nikkel-kadmium (Ni-Cd) elemekkel szemben fennálló előnyeik.
A Li-ion akkumulátorok paraméterei sokkal jobbak. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a Ni-Cd akkumulátoroknak egy fontos előnye van: a nagy kisülési áram biztosítása. Ez a tulajdonság nem kritikus jelentőségű laptopok vagy mobiltelefonok táplálásakor (ahol a Li-ion részesedése eléri a 80% -ot, és részesedésük egyre növekszik), de nagyon sok olyan készülék van, amely nagy áramot vesz fel, például mindenféle szerszám, elektromos borotva stb. P. Eddig ezek az eszközök szinte kizárólag a Ni-Cd akkumulátorok tulajdona voltak. Jelenleg azonban, különösen a kadmium felhasználásának az RoHS irányelvvel összhangban történő korlátozásával kapcsolatban, fokozódott a nagy kisülési áramú kadmium-mentes elemek létrehozásának kutatása.
Promóciós videó:
A lítium-anódos primer cellák („elemek”) a 20. század 70-es évek elején jelentkeztek, és nagy fajlagos energiájuk és egyéb előnyeik miatt gyorsan alkalmazhatók. Így megvalósult a régóta fennálló vágy, hogy kémiai áramforrást hozzanak létre a legaktívabb redukálószerrel, egy alkálifémmel, ami lehetővé tette drasztikusan az akkumulátor üzemi feszültségének és fajlagos energiájának növelését. Ha a lítium-anódos primer cellák kifejlesztését viszonylag gyors siker koronázta, és ezek a cellák szilárdan helyet kaptak a hordozható berendezések energiaforrásaiként, akkor a lítium akkumulátorok létrehozása alapvető nehézségekbe ütközött, amelyek több mint 20 évig tartottak.
Az 1980-as évek során végzett sok vizsgálat után kiderült, hogy a lítium-akkumulátorok problémája a lítium-elektródák köré van csavarva. Pontosabban, a lítium aktivitása körül: a működés közben végbemenő folyamatok végül heves reakcióhoz vezettek, melyet "lángkibocsátással" szellőztetnek. 1991-ben nagyszámú lítium-elemet hívtak vissza a gyártóüzemekbe, amelyeket először használtak mobiltelefonok áramforrásául. Ennek oka - beszélgetés során, amikor az aktuális fogyasztás maximális, az akkumulátor lángot bocsátott ki, amely megégette a mobiltelefon felhasználójának arcát.
A fém lítiumban rejlő instabilitás miatt, különösen a töltés során, a kutatás az akkumulátor előállításának területére költözött Li felhasználása nélkül, de ionjainak felhasználásával. Bár a lítium-ion akkumulátorok valamivel alacsonyabb energiatartalommal bírnak, mint a lítium-akkumulátorok, a lítium-ion akkumulátorok biztonságosak, ha a megfelelő töltési és kisütési körülmények között vannak. A robbanásokkal szemben azonban nem immunsek.
Ebben az irányban is, bár mindent meg kell próbálni fejleszteni, és nem szabad megállni. Például a szingapúri Nanyang Technológiai Egyetem tudósai kifejlesztettek egy új típusú lítium-ion akkumulátort, amely rekordteljesítményű. Először 2 perc alatt töltheti fel maximális kapacitásának 70% -át. Másodszor, az akkumulátor szinte romlás nélkül működik több mint 20 éve.
Mit várhatunk tovább?
Nátrium
Sok kutató szerint ez az alkálifém helyettesíti a drága és ritka lítiumot, amely egyébként kémiailag aktív és tűzveszélyes. A nátrium-akkumulátorok működési elve hasonló a lítiuméhoz - fémionokat használnak a töltés átviteléhez.
A különböző laboratóriumok és intézetek tudósai évek óta küzdenek a nátrium-technológia hátrányaival, például a lassú töltéssel és az alacsony áramokkal. Néhányuknak sikerült megoldania a problémát. Például a BroadBit akkumulátorok előgyártott mintái öt perc alatt töltődnek fel, és másfél-kétszeres kapacitással rendelkeznek. Számos Európában elnyert díj, például az Innovációs Radar-díj, az Eureka Innovest-díj és számos más díj átvétele után a cég tovább ment a tanúsításra, a gyárépítésre és a szabadalmak beszerzésére.
Grafén
A grafén egy lapos, egy atom vastagságú szénatomok kristályrácsa. A kompakt térfogatú, töltet tárolására képes hatalmas felületének köszönhetően a grafén ideális megoldás kompakt szuperkondenzátorok létrehozására.
Már vannak olyan kísérleti modellek, amelyek kapacitása akár 10 000 farad is lehet! Ezt a szuperkondenzátort a Sunvault Energy készítette Edison Power-szel együttműködve. A fejlesztők azt állítják, hogy a jövőben be fognak mutatni egy modellt, amelynek energiája elegendő az egész ház táplálásához.
Az ilyen szuperkondenzátoroknak számos előnye van: a szinte azonnali töltés lehetősége, a környezetbarátság, a biztonság, a kompaktság és az olcsó költségek. A grafén előállításának új technológiájának köszönhetően, amely hasonló a 3D nyomtatóra történő nyomtatáshoz, a Sunvault majdnem tízszeresére csökkenti az akkumulátorok költségét, mint a lítium-ion technológiák. Az ipari termelés azonban még messze van.
A Sanvaultnak vannak versenytársai is. Az ausztráliai Swinburn-i egyetemi tudósok egy grafén szuperkondenzátort mutattak be, amelynek kapacitása hasonló a lítium-ion akkumulátorokhoz. Néhány másodperc alatt feltölthető. Ezen felül rugalmas, amely lehetővé teszi különféle formájú eszközökben és még az intelligens ruhákban történő felhasználást is.
Atomi elemek
A nukleáris elemek továbbra is nagyon drágák. A közeljövőben nem lesznek képesek versenyezni az ismerős lítium-ion akkumulátorokkal, de nem említhetjük meg őket, mivel a források, amelyek 50 éve folyamatosan termelnek energiát, sokkal érdekesebbek, mint az újratölthető elemek.
Működési elvük bizonyos értelemben hasonlít a napelemek működésére, csak a nap helyett az energiaforrás a béta-sugárzással rendelkező izotópok, amelyeket a félvezető elemek abszorbeálnak.
A gammasugárzással ellentétben a béta-sugárzás gyakorlatilag ártalmatlan. Ez egy töltött részecskék áramlása, amelyet speciális anyagok vékony rétegei könnyen árnyékolnak. A levegő aktívan felszívódik.
Manapság az ilyen elemek fejlesztését számos intézet végzi. Oroszországban a NUST MISIS, a MIPT és az NPO Luch bejelentette együttes munkáját ebben az irányban. Korábban hasonló projektet indított a Tomszki Politechnikai Egyetem. Mindkét projektben a fő anyag a nikkel-63, amelyet a nikkel-62 izotópnak egy nukleáris reaktorban történő neutron besugárzásával nyernek, további radiokémiai feldolgozással és szétválasztással a gázcentrifugákban. Az akkumulátor első prototípusának 2017-ben elkészülnie kell.
Ezek a béta-feszültségű tápegységek azonban alacsony fogyasztásúak és rendkívül drágák. Orosz fejlesztés esetén a miniatűr energiaforrás becsült költsége akár 4,5 millió rubelt is elérhet.
Atom-áramellátás a City Labs, NanoTritium trícium alapján.
A Nickel-63-nak is vannak versenytársai. Például a Missouri Egyetem sokáig kísérletezett a stroncium-90-sel, és a tríciumon alapuló miniatűr béta-voltata elemek telepíthetők a kereskedelemben. Ezer dollár körüli áron képesek különféle szívritmus-szabályozókra, érzékelőkre táplálni vagy kompenzálni a lítium-ion akkumulátorok önkiürülését.
Világító kulcstartó tríciummal.
A szakértők egyelőre nyugodtak
Az első nátrium-elem sorozatgyártása és a grafén tápegységekkel kapcsolatos aktív munka ellenére az iparági szakértők nem számítanak forradalomra a következő néhány évben.
A Rusnano szárnya alatt működő és lítium-ion elemeket Oroszországban gyártó Liteko vállalat úgy véli, hogy a piac növekedésének lelassulására még nem adtak okot. „A lítium-ion akkumulátorok állandó igénye elsősorban a nagy fajlagos energiájuknak köszönhető (tömeg- vagy térfogati egységben tárolva). E paraméter szerint jelenleg nem állnak versenytársak a sorozatban gyártott újratölthető kémiai energiaforrások között”- kommentálja a vállalat.
Ugyanazon BroadBit nátrium akkumulátorok kereskedelmi sikere esetén a piac évek alatt újraformálódhat. Hacsak a tulajdonosok és részvényesek nem akarnak sok pénzt keresni az új technológiáról.