Tas ir paradokss, taču, neskatoties uz milzīgo ceļu, ko elektronika ir veikusi pēdējo 30 gadu laikā, visas mobilās ierīces joprojām ir aprīkotas ar litija jonu akumulatoriem, kas tirgū ienāca jau 1991. gadā, kad parastais kompaktdisku atskaņotājs bija portatīvo tehnoloģiju inženierijas virsotne.
Daudzas jauno paraugu noderīgās īpašības elektronikā un sīkrīkos izlīdzina mazais šo ierīču barošanas laiks no mobilā akumulatora. Zinātniskās ziepes un izgudrotāji jau sen būtu pavirzījušies uz priekšu, taču viņus uztur akumulatora "enkurs".
Apskatīsim, kuras tehnoloģijas nākotnē var pārveidot elektronikas pasauli.
Pirmkārt, neliela vēsture
Visbiežāk litija jonu (Li-ion) baterijas tiek izmantotas mobilajās ierīcēs (klēpjdatoros, mobilajos tālruņos, PDA un citās). Tas ir saistīts ar to priekšrocībām salīdzinājumā ar iepriekš plaši izmantotajiem niķeļa-metāla hidrīda (Ni-MH) un niķeļa-kadmija (Ni-Cd) akumulatoriem.
Li-jonu akumulatoriem ir daudz labāki parametri. Tomēr jāpatur prātā, ka Ni-Cd akumulatoriem ir viena būtiska priekšrocība: spēja nodrošināt augstu izlādes strāvu. Šis īpašums nav kritiski svarīgs, ja tiek baroti klēpjdatori vai mobilie tālruņi (kur Li-ion īpatsvars sasniedz 80%, un to īpatsvars kļūst arvien lielāks), taču ir diezgan daudz ierīču, kas patērē lielu strāvu, piemēram, visa veida elektroinstrumenti, elektriskie skuvekļi utt. Lpp. Līdz šim šīs ierīces gandrīz tikai ir piederējušas Ni-Cd akumulatoriem. Tomēr šobrīd, īpaši saistībā ar kadmija lietošanas ierobežošanu saskaņā ar RoHS direktīvu, ir intensificēti pētījumi par tādu kadmiju nesaturošu bateriju izveidi, kurām ir liela izlādes strāva.
Reklāmas video:
Primārie elementi ("baterijas") ar litija anodu parādījās 20. gadsimta 70. gadu sākumā un ātri atradās lietošanā to augstās īpatnējās enerģijas un citu priekšrocību dēļ. Tādējādi tika realizēta ilgstošā vēlme radīt ķīmiskās strāvas avotu ar visaktīvāko reducējošo līdzekli - sārmu metālu, kas ļāva dramatiski palielināt gan akumulatora darba spriegumu, gan tā īpatnējo enerģiju. Ja primāro elementu ar litija anodu attīstību vainagojās ar samērā straujiem panākumiem un šādas šūnas stingri ieņēma savu vietu kā pārnēsājamo iekārtu enerģijas avoti, tad litija bateriju izveidošana saskārās ar pamatīgām grūtībām, kuru pārvarēšanai bija nepieciešami vairāk nekā 20 gadi.
Pēc daudzām pārbaudēm 80. gados izrādījās, ka litija bateriju problēma ir savīta ap litija elektrodiem. Precīzāk, ap litija darbību: procesi, kas notika darbības laikā, galu galā izraisīja vardarbīgu reakciju, ko sauca par "ventilāciju ar liesmas izstarošanu". 1991. gadā ražotnēs tika atsaukts liels skaits litija bateriju, kuras pirmo reizi tika izmantotas kā mobilo tālruņu enerģijas avots. Iemesls - sarunas laikā, kad pašreizējais patēriņš ir maksimāls, no akumulatora izdalījās liesma, dedzinot mobilā tālruņa lietotāja seju.
Sakarā ar nestabilitāti, kas raksturīga metāliskajam litijam, it īpaši uzlādēšanas laikā, pētījumi ir pārgājuši uz akumulatora radīšanas jomu, neizmantojot Li, bet izmantojot tā jonus. Kaut arī litija jonu akumulatori nodrošina nedaudz zemāku enerģijas blīvumu nekā litija akumulatori, Li-ion akumulatori ir droši, ja tie tiek nodrošināti ar pareiziem uzlādes un izlādes apstākļiem. Tomēr tie nav imūni pret sprādzieniem.
Arī šajā virzienā, kamēr viss mēģina attīstīties un nekustēties. Piemēram, zinātnieki no Nanjangas Tehnoloģiskās universitātes (Singapūra) ir izstrādājuši jauna veida litija jonu akumulatorus, kuriem ir rekordliela veiktspēja. Pirmkārt, tas 2 minūtēs uzlādē līdz 70% no maksimālās jaudas. Otrkārt, akumulators jau gandrīz 20 gadus darbojas gandrīz bez bojājumiem.
Ko mēs varam sagaidīt nākamo?
Nātrijs
Pēc daudzu pētnieku domām, tieši šim sārmu metālam vajadzētu aizstāt dārgo un reto litiju, kas turklāt ir ķīmiski aktīvs un ugunsbīstams. Nātrija bateriju darbības princips ir līdzīgs litija principam - lādiņa pārsūtīšanai viņi izmanto metāla jonus.
Gadu garumā dažādu laboratoriju un institūtu zinātnieki ir cīnījušies ar nātrija tehnoloģijas trūkumiem, piemēram, lēnu uzlādi un zemu strāvu. Dažiem no viņiem izdevās atrisināt problēmu. Piemēram, BroadBit akumulatoru pirmsražošanas paraugi tiek uzlādēti piecās minūtēs, un to jauda ir no pusotras līdz divām reizēm. Pēc vairāku balvu saņemšanas Eiropā, piemēram, Inovācijas radara balvas, Eureka Innovest balvas un virknes citu, uzņēmums pārcēlās uz sertifikāciju, rūpnīcas celtniecību un patentu iegūšanu.
Grafēns
Grafēns ir oglekļa atomu plakana kristāla režģis, kura biezums ir viens atoms. Pateicoties milzīgajam kompakta apjoma virsmas laukumam, kas spēj uzglabāt lādiņu, grafēns ir ideāls risinājums kompaktu superkondensatoru izveidošanai.
Jau ir eksperimentāli modeļi ar ietilpību līdz 10 000 Farads! Šādu superkondensatoru izveidoja Sunvault Energy sadarbībā ar Edison Power. Izstrādātāji apgalvo, ka nākotnē viņi prezentēs modeli, kura enerģijas būs pietiekami, lai darbinātu visu māju.
Šādiem superkondensatoriem ir daudz priekšrocību: gandrīz tūlītējas uzlādes iespēja, videi draudzīgums, drošība, kompaktums un arī zemas izmaksas. Pateicoties jaunajai grafēna ražošanas tehnoloģijai, kas līdzīga drukāšanai uz 3D printera, Sunvault sola akumulatoru izmaksas gandrīz desmit reizes mazāk nekā litija jonu tehnoloģijas. Tomēr rūpnieciskā ražošana joprojām ir tāla.
Sanvault ir arī konkurenti. Zinātnieku grupa no Austrālijas Svinburnas universitātes iepazīstināja arī ar grafēna superkondensatoru, kura ietilpība ir salīdzināma ar litija jonu akumulatoriem. To var uzlādēt dažās sekundēs. Turklāt tas ir elastīgs, kas ļaus to izmantot dažādu formas faktoru ierīcēs un pat viedās drēbēs.
Atomu baterijas
Kodolieroču baterijas joprojām ir ļoti dārgas. Tuvākajā laikā viņi nevarēs konkurēt ar pazīstamajām litija jonu baterijām, taču mēs nevaram tās nepieminēt, jo avoti, kas jau 50 gadus nepārtraukti ražo enerģiju, ir daudz interesantāki nekā uzlādējamās baterijas.
Viņu darbības princips savā ziņā ir līdzīgs saules bateriju darbībai, tikai saules vietā enerģijas avots tajos ir izotopi ar beta starojumu, ko pēc tam absorbē pusvadītāju elementi.
Atšķirībā no gamma starojuma, beta starojums ir praktiski nekaitīgs. Tā ir uzlādētu daļiņu straume, un to viegli pasargā plāni speciālu materiālu slāņi. To arī aktīvi absorbē gaiss.
Mūsdienās šādu akumulatoru izstrāde tiek veikta daudzos institūtos. Krievijā NUST MISIS, MIPT un NPO Luch paziņoja par savu kopīgo darbu šajā virzienā. Iepriekš līdzīgu projektu uzsāka Tomskas Politehniskā universitāte. Abos projektos galvenā viela ir niķelis-63, ko iegūst ar niķeļa-62 izotopu neitronu apstarošanu kodolreaktorā ar turpmāku radioķīmisko apstrādi un atdalīšanu gāzes centrifūgās. Pirmajam akumulatora prototipam jābūt gatavam 2017. gadā.
Tomēr šie beta-voltaic enerģijas avoti ir maz enerģijas un ļoti dārgi. Krievijas attīstības gadījumā miniatūra enerģijas avota aptuvenās izmaksas var būt līdz 4,5 miljoniem rubļu.
Atomu barošanas avots, pamatojoties uz tritiju NanoTritium no City Labs.
Niķelis-63 ir arī konkurenti. Piemēram, Misūri štata universitāte jau ilgu laiku eksperimentē ar stroncija-90, un komerciāli var atrast miniatūras beta-voltaic baterijas, kuru pamatā ir tritijs. Par cenu tūkstoš dolāru reģionā viņi var barot dažādus elektrokardiostimulatorus, sensorus vai kompensēt litija jonu akumulatoru pašizlādi.
Gaismas atslēgu piekariņš ar tritiju.
Eksperti pagaidām ir mierīgi
Neskatoties uz pieeju pirmo nātrija bateriju masveida ražošanai un aktīvo darbu pie grafēna barošanas avotiem, nozares eksperti tuvākajos gados neprognozē nekādas revolūcijas.
Kompānija Liteko, kas darbojas zem Rusnano spārna un ražo litija jonu baterijas Krievijā, uzskata, ka tirgus izaugsmes palēnināšanās pagaidām nav pamatota. “Pastāvīgais litija jonu akumulatoru pieprasījums galvenokārt ir saistīts ar to augsto īpatnējo enerģiju (uzkrāto masas vai tilpuma vienībā). Saskaņā ar šo parametru šobrīd uz virkni ražotu atkārtoti uzlādējamu ķīmisko enerģijas avotu nav konkurentu,”komentē uzņēmums.
Tomēr tādu pašu BroadBit nātrija akumulatoru komerciālu panākumu gadījumā tirgus var pārveidot dažu gadu laikā. Ja vien īpašnieki un akcionāri nevēlas nopelnīt daudz naudas par jauno tehnoloģiju.
