Je to paradoxné, ale napriek obrovskej ceste, ktorú elektronika prešla za posledných 30 rokov, sú všetky mobilné zariadenia stále vybavené lítium-iónovými batériami, ktoré sa na trh dostali už v roku 1991, keď bol obvyklý prehrávač CD špičkou techniky v oblasti prenosných technológií.
Mnoho užitočných vlastností nových vzoriek v elektronike a prístrojoch sa vyrovnáva skromnou dobou napájania týchto zariadení z mobilnej batérie. Vedecké mydlo a vynálezcovia by už dávno pokročili vpred, ale stále ich drží „kotva“batérie.
Pozrime sa, aké technológie môžu transformovať svet elektroniky v budúcnosti.
Najprv trochu histórie
Lítium-iónové (lítium-iónové) batérie sa najčastejšie používajú v mobilných zariadeniach (notebooky, mobilné telefóny, PDA a ďalšie). Je to kvôli ich výhodám oproti predtým bežne používaným nikel-metal hydridovým (Ni-MH) a nikel-kadmiovým (Ni-Cd) batériám.
Lítium-iónové batérie majú oveľa lepšie parametre. Malo by sa však pamätať na to, že Ni-Cd batérie majú jednu dôležitú výhodu: schopnosť poskytovať vysoké vybíjacie prúdy. Táto vlastnosť nie je kriticky dôležitá pri napájaní prenosných počítačov alebo mobilných telefónov (kde podiel lítium-iónov dosahuje 80% a ich podiel sa stále viac zvyšuje), ale existuje pomerne málo zariadení, ktoré spotrebúvajú vysoké prúdy, napríklad všetky druhy elektrického náradia, elektrické holiace strojčeky atď. P. Doteraz boli tieto zariadenia takmer výlučne doménou batérií Ni-Cd. V súčasnosti, najmä v súvislosti s obmedzením používania kadmia v súlade so smernicou RoHS, sa však výskum v oblasti výroby batérií bez kadmia s vysokým vybíjacím prúdom zintenzívnil.
Propagačné video:
Primárne články („batérie“) s lítiovou anódou sa objavili začiatkom 70. rokov 20. storočia a vďaka ich vysokej špecifickej energii a ďalším výhodám rýchlo našli uplatnenie. Tak sa uskutočnila dlhotrvajúca túžba vytvoriť zdroj chemického prúdu s najaktívnejším redukčným činidlom, alkalickým kovom, ktorý umožnil dramaticky zvýšiť tak prevádzkové napätie batérie, ako aj jej špecifickú energiu. Ak bol vývoj primárnych článkov s lítiovou anódou korunovaný relatívne rýchlym úspechom a takéto bunky pevne zaujali svoje miesto ako zdroje energie pre prenosné zariadenia, potom sa výroba lítiových batérií stretla so základnými problémami, ktoré prekonali viac ako 20 rokov.
Po mnohých testoch počas 80. rokov sa ukázalo, že problém lítiových batérií je skrútený okolo lítiových elektród. Presnejšie povedané, okolo aktivity lítia: procesy, ktoré sa uskutočnili počas prevádzky, nakoniec viedli k násilnej reakcii nazývanej „vetranie s emisiou plameňa“. V roku 1991 bolo do výrobných závodov stiahnutých veľké množstvo lítiových batérií, ktoré sa prvýkrát použili ako zdroj energie pre mobilné telefóny. Dôvod - počas konverzácie, keď je maximálna aktuálna spotreba, bol z batérie vydaný plameň, ktorý spálil tvár používateľa mobilného telefónu.
Kvôli nestabilite spojenej s kovovým lítiom, najmä počas nabíjania, sa výskum presunul do oblasti výroby batérie bez použitia Li, ale s využitím jej iónov. Aj keď lítium-iónové batérie poskytujú o niečo menšiu energetickú hustotu ako lítiové batérie, lítium-iónové batérie sú bezpečné, ak sú dodané so správnymi podmienkami nabíjania a vybíjania. Nie sú však odolné voči výbuchom.
Aj v tomto smere, zatiaľ čo všetko sa snaží rozvíjať a nestojí pokojne. Napríklad vedci z Nanyang Technological University (Singapore) vyvinuli nový typ lítium-iónovej batérie, ktorá má rekordný výkon. Po prvé, účtuje sa za 2 minúty až 70% svojej maximálnej kapacity. Po druhé, batéria funguje takmer bez zhoršenia už viac ako 20 rokov.
Čo môžeme očakávať ďalej?
sodík
Podľa mnohých vedcov by mal tento drahý a vzácny lítium nahradiť tento alkalický kov, ktorý je navyše chemicky aktívny a nebezpečný pri požiari. Princíp fungovania sodíkových batérií je podobný ako v prípade lítia - na prenos náboja používajú kovové ióny.
Vedci z rôznych laboratórií a ústavov už roky zápasia s nevýhodami technológie sodíka, ako sú pomalé nabíjanie a nízke prúdy. Niektorým sa podarilo problém vyriešiť. Napríklad predbežné výrobné vzorky batérií BroadBit sa nabíjajú za päť minút a majú jeden a pol až dvakrát väčšiu kapacitu. Po získaní niekoľkých ocenení v Európe, napríklad ceny Innovation Radar Prize, ceny Eureka Innovest Award a mnohých ďalších, sa spoločnosť posunula k certifikácii, stavbe tovární a získaniu patentov.
grafén
Grafén je plochá kryštalická mriežka atómov uhlíka, ktorá je hrubá jeden atóm. Vďaka svojmu obrovskému povrchu v kompaktnom objeme, ktorý je schopný skladovať náboj, je grafén ideálnym riešením na vytváranie kompaktných superkondenzátorov.
Už existujú experimentálne modely s kapacitou až 10 000 Faradov! Takýto superkondenzátor bol vytvorený spoločnosťou Sunvault Energy v spolupráci s Edison Power. Vývojári tvrdia, že v budúcnosti predstavia model, ktorého energia bude stačiť na napájanie celého domu.
Takéto superkondenzátory majú mnoho výhod: možnosť takmer okamžitého nabíjania, šetrnosť k životnému prostrediu, bezpečnosť, kompaktnosť a tiež nízke náklady. Vďaka novej technológii výroby grafénu, podobnej tlači na 3D tlačiarni, Sunvault sľubuje náklady na batérie takmer desaťkrát nižšie ako náklady na lítium-iónové technológie. Priemyselná výroba je však ešte ďaleko.
Sanvault má tiež konkurentov. Skupina vedcov z University of Swinburn v Austrálii predstavila aj superkondenzátor grafénu, ktorého kapacita je porovnateľná s lítium-iónovými batériami. Môže sa nabiť za pár sekúnd. Okrem toho je flexibilný, čo umožňuje jeho použitie v zariadeniach rôznych tvarových faktorov a dokonca aj v inteligentných šatách.
Atómové batérie
Jadrové batérie sú stále veľmi drahé. V blízkej budúcnosti nebudú schopní konkurovať známym lítium-iónovým batériám, nemôžeme ich však spomenúť, pretože zdroje, ktoré 50 rokov nepretržite vyrábajú energiu, sú oveľa zaujímavejšie ako nabíjateľné batérie.
Ich princíp fungovania je v istom zmysle podobný fungovaniu solárnych článkov, zdrojom energie v nich sú namiesto slnečného žiarenia izotopy s beta žiarením, ktoré sa potom absorbujú polovodičovými prvkami.
Na rozdiel od žiarenia gama je beta žiarenie prakticky neškodné. Je to prúd nabitých častíc a je ľahko chránený tenkými vrstvami špeciálnych materiálov. Aktívne sa absorbuje aj vzduchom.
V súčasnosti sa vývoj takýchto batérií uskutočňuje v mnohých ústavoch. V Rusku NUST MISIS, MIPT a NPO Luch ohlásili svoju spoločnú prácu týmto smerom. Predtým podobný projekt spustila Univerzita Tomsk Polytechnic University. V oboch projektoch je hlavnou látkou nikel-63 získaný neutrónovým ožiarením izotopu niklu-62 v jadrovom reaktore s ďalším rádiochemickým spracovaním a separáciou v plynových odstredivkách. Prvý prototyp batérie by mal byť hotový v roku 2017.
Avšak tieto beta-voltaické napájacie zdroje sú nízke a extrémne drahé. V prípade ruského vývoja môžu byť odhadované náklady na miniatúrny zdroj energie až 4,5 milióna rubľov.
Atómový zdroj energie založený na trícium NanoTritium od City Labs.
Nikel-63 má tiež konkurentov. Napríklad Missourská univerzita dlhodobo experimentuje so stronciom-90 a komerčne sa dajú nájsť miniatúrne beta-voltaické batérie na báze trícia. Za cenu v oblasti tisícok dolárov dokážu napájať rôzne kardiostimulátory, senzory alebo kompenzovať samovybíjanie lítium-iónových batérií.
Svetelná kľúčenka s tríciom.
Experti sú zatiaľ pokojní
Napriek prístupu k sériovej výrobe prvých sodíkových batérií a aktívnej práci na grafenových napájacích zdrojoch nepredpokladajú odborníci v priemysle v najbližších rokoch žiadne otáčky.
Spoločnosť Liteko, ktorá pôsobí pod rusínskym krídlom a vyrába lítium-iónové batérie v Rusku, sa domnieva, že zatiaľ neexistujú dôvody na spomalenie rastu trhu. „Stabilný dopyt po lítium-iónových batériách je spôsobený predovšetkým ich vysokou špecifickou energiou (uloženou na jednotku hmotnosti alebo objemu). Podľa tohto parametra momentálne nemajú medzi nabíjateľnými zdrojmi chemickej energie vyrábanými v sérii konkurentov, “komentuje spoločnosť.
V prípade komerčného úspechu tých istých sodíkových batérií BroadBit sa však trh môže v priebehu niekoľkých rokov preformátovať. Pokiaľ majitelia a akcionári nechcú zarobiť veľa peňazí na novú technológiu.