Futurology 1.1: mindre batterier med større kapacitet er tættere end nogensinde før

Tilbage i starten af ​​året i vores Smartphone Futurology-serie diskuterede vi teknologien bag batteriet i smartphones, og hvad der skal komme i fremtiden. Denne artikel er en hurtig opdatering til dette stykke og ser på nogle af den nylige udvikling inden for batterier baseret på litiumkemi - ligesom dem, der driver det store flertal af smartphones.

Vi vil se nærmere på, hvad der reducerer din telefons batterilevetid over tid, og hvordan teknologier med høj kapacitet som Lithium-svovlbatterier og Lithium-metalanoder er tættere end nogensinde på at blive praktiske. Deltag i os efter pausen.

: De seneste gennembrud inden for telefonbatteriteknologi

Hvorfor dit batteris kapacitet falder med tiden

Billedkredit: Joint Center for Energy Storage Research

En gruppe ledet af Joint Center for Energy Storage Research i USA lykkedes at samle bevis for processerne bag forringelsen af ​​lithiumbatterier over tid . I min originale artikel nævnte jeg den dendritiske (forgrening som et træ) vækst på lithiummetalanoder over tid, hvilket reducerede batterikapaciteten.

Lithiummetalaflejring på Li-po-elektrode over tid

Kredit: Joint Center for Energy Storage Research

Teamet udviklede en ny metode ved hjælp af STEM (scanning af transmissionselektronmikroskopi - en metode til analyse af utroligt små strukturer) for at observere disse aflejringer i et lithiumpolymerbatteri over tid.

Anoden til et lithiumbatteri er det, der bestemmer den samlede kapacitet, og disse vækstforstyrrelser forstyrrer, hvor effektivt anoden er i stand til at opbevare lithiumioner og dermed reducere batteriets kapacitet. Det har også vist sig, at disse dendritiske vækster af lithiummetal kan være farlige og forårsage interne fejl, der fører til, at batteriet balloner, eller endnu værre, eksploderer .

Med disse banebrydende evner til at observere sådanne processer har teamet været i stand til at bestemme de faktorer, der styrer disse vækster, som vil hjælpe forskere på området med at forbedre levetiden og sikkerheden for kommercielle lithiumbaserede batterier.

Forbedringer i litium-svovl

Billedkredit: University of California

Der har været en dramatisk stigning i antallet af offentliggjorte artikler om lithium-svovlteknologi, og som tidligere forklaret betragtes teknologien som den næste iteration inden for lithium-batteriteknologi, der erstatter de bredt anvendte lithiumpolymerceller. Sådan sammenfattes:

Lithium-svovl er en ekstremt attraktiv erstatning for aktuelle teknologier, da den er lige så let at fremstille og har en højere opladningskapacitet. Det er endnu bedre, at det ikke kræver meget flygtige opløsningsmidler, som drastisk reducerer risikoen for brand fra kortslutning og punktering.

Mere om litium-svovl og andre fremtidige batteriteknologier

For nylig har en gruppe fra University of California løst et af problemerne omkring lithium-svovlkemi og offentliggjort et papir om det i sidste måned .

Når problemer med Li-S-batteriernes levetid løses, bevæger teknologien sig videre mod at være en praktisk virkelighed.

Under de kemiske reaktioner, der forekommer i ladnings- og afladningsprocesserne, dannes polysulfidkæder. Disse kæder skal strømme gennem elektrolytten intakt, og det er her problemet ligger, polysulfidet kan undertiden opløses i opløsningen og påvirker batteriets levetid meget.

Gruppen udviklede en metode til belægning af disse polysulfider til nanosfærer ved hjælp af et tyndt lag siliciumdioxid (i det væsentlige glas), som holder polysulfidet væk fra elektrolytten, mens det let kunne bevæge sig gennem det mellem elektroderne. Med problemer som disse løbende løst af adskillige hårdtarbejdende forskningsgrupper, er fremtiden for lithium-svovlbatterier i vores telefoner tættere på hver eneste dag.

Lithium Metal-anoder kommer til at udbredes

Billedkredit : SolidEnergy Systems

Hvis du husker fra batteriets futurologi-artikel, nævnte jeg, hvordan det at være i stand til at bruge lithiummetal, da anoden er den "hellige gral" af anodematerialer på grund af den ekstra kapacitet, de bringer.

SolidEnergy Systems Corp. har vist frem deres "anodløse" lithiumbatteri, der i det væsentlige erstatter den normale grafit og kompositanoder med en tynd lithiummetalanode. De hævder, at de fordoble energitætheden sammenlignet med en grafitanode og 50% sammenlignet med en siliciumkompositanode.

De seneste 'anodløse' batterier hævder at fordoble energitætheden for det, der er på din telefon lige nu.

Ovenstående billede, som SolidEnergy har offentliggjort, hjælper med at vise den drastiske reduktion i størrelse, skønt jeg skal nævne, at det er lidt vildledende. Både Xiaomi- og Samsung-batterierne er designet til at være udskiftelige, så de ville have en ekstra plastskal og yderligere elektronik såsom et opladningskredsløb eller endda (i nogle Samsung-batterier) en NFC-antenne.

Når det er sagt, kan du imidlertid se den betydelige størrelsesforskel mellem iPhone's 1, 8 Ah interne batteri og 2, 0 Ah SolidEnergy batteripakke i BBCs nyhedsrapport.

Hvad det hele betyder

Med flere fabrikanters flagskibstelefoner - inklusive Samsungs Galaxy S6 og Apples iPhone 6 - der skubber mod tyndere design, bliver behovet for tættere batterier endnu større. At trække mere batterikraft i et mindre område åbner også muligheden for at få flere dages brug ud af større "phablet" stil håndsæt, mens du giver mere juice til fremtidens magt-sultne processorer.

Vi ser på en fremtid, hvor det bliver lettere end nogensinde at undgå det frygtede døde smartphone-batteri.

Og når det kommer til lithium-svovlbatterier, bør den reducerede risiko for brand ved kortslutning eller punktering gøre vores enheder mere sikre at bruge og mindre farlige (og kostbare) for fabrikanter at transportere.

Kombiner dette med de seneste fremskridt hen imod hurtigere opladning og væksten i trådløs opladning i de senere år, og vi ser på en fremtid, hvor det vil være lettere end nogensinde at undgå et dødt smartphone-batteri.

Så hvornår begynder vi at se disse nye teknologier blive tilgængelige? SolidEnergy vurderer, at dens "anodløs" løsning vil ramme markedet i 2016, og vi ser på en lignende tidsplan for Li-S-batterier også i betragtning af den nylige udvikling omkring denne teknologi. Det er ikke at sige, at de vil sende med faktiske mobile enheder i det næste år - ikke desto mindre kan den revolution inden for batteriteknologi, vi alle har ventet på, ikke være langt væk.

Mere Futurology: Læs om fremtiden for smartphone tech

Referencer

1. BL Mehdi, J. Qian, E. Nasybulin, C. Park, DA Welch, R. Faller, H. Mehta, WA Henderson, W. Xu, CM Wang, JE Evans, J. Liu, JG Zhang, KT Mueller, og ND Browning, observation og kvantificering af nanoskala processer i litiumbatterier af Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): s. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu og Y. Cui, sammenkoblede hule carbon-nanosfærer til stabile lithiummetallanoder, Nat Nano, 2014. 9 (8): s. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan og M. Ozkan, SiO2-coatede svovlpartikler med let reduceret grafenoxid som et katodemateriale til lithium-svovlbatterier, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng og Y. Cui, Nanostrukturerede svovlkatoder, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): p. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao og Y. Cui, forståelsen af ​​forskellige ledende polymerers rolle i forbedring af den nanostrukturerede svovlkatodeydelse, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.