Se on paradoksi, mutta huolimatta valtavasta polusta, jonka elektroniikka on kulkenut viimeisen 30 vuoden aikana, kaikki mobiililaitteet on edelleen varustettu litium-ioni-akkuilla, jotka saapuivat markkinoille jo vuonna 1991, jolloin tavallinen CD-soitin oli kannettavan tekniikan huippu.
Elektroniikan ja laitteiden uusien näytteiden monia hyödyllisiä ominaisuuksia tasoittaa näiden laitteiden vähäinen virransyöttö matkapuhelimesta. Tieteellinen saippua ja keksijät olisivat edistyneet kauan sitten, mutta heitä pitää akun "ankkuri".
Katsotaanpa mitä tekniikoilla voidaan muuttaa elektroniikkamaailmaa tulevaisuudessa.
Ensinnäkin pieni historia
Useimmiten litiumioniakkuja (Li-ion-paristoja) käytetään mobiililaitteissa (kannettavat tietokoneet, matkapuhelimet, PDA: t ja muut). Tämä johtuu niiden eduista verrattuna aikaisemmin laajalti käytettyihin nikkeli-metallihydridi (Ni-MH) - ja nikkeli-kadmium-akkuihin (Ni-Cd).
Li-ion-akkujen parametrit ovat paljon parempia. On kuitenkin muistettava, että Ni-Cd-akkuilla on yksi tärkeä etu: kyky tuottaa korkea purkausvirta. Tämä ominaisuus ei ole kriittinen käytettäessä kannettavia tietokoneita tai matkapuhelimia (joissa Li-ionin osuus nousee 80%: iin ja niiden osuus kasvaa yhä enemmän), mutta on monia laitteita, jotka kuluttavat suuria virtauksia, esimerkiksi kaikenlaisia sähkötyökaluja, parranajokoneita jne. P. Tähän asti nämä laitteet ovat olleet lähes yksinomaan Ni-Cd-paristojen verkkotunnus. Tällä hetkellä etenkin kadmiumin käytön rajoittamisen yhteydessä RoHS-direktiivin mukaisesti tutkimus korkeaa purkausvirtaa sisältävien kadmiumaisten paristojen luomiseksi on lisääntynyt.
Mainosvideo:
Litiumanodilla varustetut ensiökennot ("paristot") ilmestyivät 1900-luvun alkupuolella 70-luvun alkupuolella, ja niitä löytyi nopeasti niiden korkean ominaisenergian ja muiden etujen vuoksi. Siten toteutettiin pitkäaikainen halu luoda kemiallinen virranlähde aktiivisimmalla pelkistimellä, alkalimetallilla, mikä teki mahdolliseksi dramaattisesti kasvattaa sekä akun käyttöjännitettä että sen ominaisenergiaa. Jos litiumanodilla varustettujen primaarisolujen kehittäminen kruunattiin suhteellisen nopealla menestyksellä ja tällaiset solut ottivat tiukasti paikkansa kannettavien laitteiden virtalähteinä, litiumparistojen luominen joutui perustavanlaatuisiin vaikeuksiin, joiden ratkaiseminen kesti yli 20 vuotta.
1980-luvun aikana suoritetun suuren testauksen jälkeen kävi ilmi, että litiumparistojen ongelma on kiertynyt litiumelektrodien ympärille. Tarkemmin sanottuna, litiumin toiminnan ympärillä: käytön aikana tapahtuneet prosessit johtivat lopulta väkivaltaiseen reaktioon, jota kutsutaan "tuulettamiseksi liekin säteilyllä". Vuonna 1991 tuotantolaitoksille palautettiin suuri joukko litiumparistoja, joita käytettiin ensimmäistä kertaa matkapuhelimien virtalähteenä. Syy - keskustelun aikana, kun virrankulutus on suurin, akusta päästiin liekki, joka poltti matkapuhelimen käyttäjän kasvot.
Metalliselle litiumille ominaisen epävakauden takia, etenkin lataamisen aikana, tutkimus on siirtynyt akun luomisen kenttään käyttämättä Li: tä, mutta käyttämällä sen ioneja. Vaikka litium-ioni-akut tuottavat hiukan pienemmän energiatiheyden kuin litium-akut, litium-ioni-akut ovat turvallisia, kun niille toimitetaan oikeat lataus- ja purkuolosuhteet. Ne eivät kuitenkaan ole immuuneja räjähdyksille.
Myös tähän suuntaan, kun kaikki yrittää kehittyä eikä olla paikallaan. Esimerkiksi Nanyangin teknillisen yliopiston (Singapore) tutkijat ovat kehittäneet uuden tyyppisen litium-ioni-akun, jolla on ennätysmääräinen suorituskyky. Ensin, se latautuu 2 minuutissa 70%: iin maksimikapasiteetista. Toiseksi akku on toiminut melkein heikentymättä yli 20 vuotta.
Mitä voimme odottaa seuraavaksi?
natrium
Monien tutkijoiden mukaan juuri tämä alkalimetalli korvaa kallista ja harvinaista litiumia, joka on lisäksi kemiallisesti aktiivinen ja palovaarallinen. Natriumakkujen toimintaperiaate on samanlainen kuin litiumin - ne käyttävät metalli-ioneja varauksen siirtämiseen.
Eri laboratorioiden ja instituuttien tutkijat ovat vuosien ajan kamppailleet natriumteknologian haittojen kanssa, kuten hidas lataus ja alhaiset virrat. Jotkut heistä onnistuivat ratkaisemaan ongelman. Esimerkiksi BroadBit-akkujen esituotannon näytteet latautuvat viidessä minuutissa ja niiden kapasiteetti on puolitoista tai kaksi kertaa. Saatuaan useita palkintoja Euroopassa, kuten innovaatiotutkinnon palkinnon, Eureka Innovest -palkinnon ja useita muita, yritys siirtyi sertifiointiin, tehdasrakentamiseen ja patenttien hankkimiseen.
grafeeni
Grafeeni on litteä kidehila hiiliatomeja, jotka ovat yhden atomin paksuisia. Kompaktin tilavuutensa ansiosta valtavan pinta-alan ansiosta grafeeni on ihanteellinen ratkaisu kompakttien superkondensaattoreiden luomiseen.
Jo olemassa on kokeellisia malleja, joiden kapasiteetti on jopa 10 000 faaria! Tällaisen superkondensaattorin on luonut Sunvault Energy yhteistyössä Edison Powerin kanssa. Kehittäjät väittävät tulevaisuudessa esittelevän mallin, jonka energia riittää koko talon virittämiseen.
Tällaisilla superkondensaattoreilla on monia etuja: mahdollisuus melkein välittömään lataukseen, ympäristöystävällisyys, turvallisuus, kompaktivuus ja myös alhaiset kustannukset. Grafeenin tuotantoon tarkoitetun uuden tekniikan ansiosta, joka on samanlainen kuin 3D-tulostimelle tulostaminen, Sunvault lupaa paristojen kustannukset melkein kymmenen kertaa pienemmät kuin litiumioniteknologioiden. Teollisuustuotanto on kuitenkin vielä kaukana.
Sanvaultilla on myös kilpailijoita. Ryhmä tutkijoita Australian Swinburnin yliopistosta esitteli myös grafeenin superkondensaattorin, jonka kapasiteetti on verrattavissa litium-ioni-akkuihin. Se voidaan ladata muutamassa sekunnissa. Lisäksi se on joustava, mikä mahdollistaa sen käytön monimuotoisissa laitteissa ja jopa älykkäissä vaatteissa.
Atomiparistot
Ydinakut ovat edelleen erittäin kalliita. Lähitulevaisuudessa ne eivät pysty kilpailemaan tuttujen litium-ioni-akkujen kanssa, mutta emme voi mainita niitä, koska lähteet, jotka ovat jatkuvasti tuottaneet energiaa 50 vuotta, ovat paljon mielenkiintoisempia kuin ladattavat akut.
Niiden toimintaperiaate on tietyssä mielessä samanlainen kuin aurinkokennojen toiminta, vain auringon sijasta energianlähde on beeta-säteilyllä varustettuja isotooppeja, jotka sitten absorboivat puolijohdeelementit.
Toisin kuin gammasäteily, beeta-säteily on käytännössä vaaratonta. Se on varautuneiden hiukkasten virta, ja se on helposti suojattu ohuilla erikoismateriaalikerroksilla. Se imeytyy myös aktiivisesti ilmaan.
Nykyään tällaisten akkujen kehittämistä suoritetaan monissa instituuteissa. Venäjällä NUST MISIS, MIPT ja NPO Luch ilmoittivat yhteisestä työstään tähän suuntaan. Aikaisemmin Tomskin ammattikorkeakoulu käynnisti samanlaisen hankkeen. Molemmissa hankkeissa pääaine on nikkeli-63, saatu nikkeli-62-isotoopin neutronisäteilytyksellä ydinreaktorissa jatkamalla radiokemiallista prosessointia ja erottamista kaasusentrifugeissa. Akun ensimmäisen prototyypin pitäisi olla valmis vuonna 2017.
Nämä beeta-voltaattiset virtalähteet ovat kuitenkin vähän virtaa ja erittäin kalliita. Venäjän kehityksen tapauksessa pienoisvirtalähteen arvioidut kustannukset voivat olla jopa 4,5 miljoonaa ruplaa.
Atomi-teholähde perustuu tritium NanoTritium -yhtiöön City Labsista.
Nikkel-63: lla on myös kilpailijoita. Esimerkiksi Missourin yliopisto on kokeillut strontium-90: tä pitkään, ja tritiumiin perustuvia miniatyyriboottisia paristoja on saatavana kaupallisesti. Tuhan dollarin hintaisella hinnalla he pystyvät syöttämään erilaisia sydämentahdistimia, antureita tai kompensoimaan litium-ioni-akkujen itsensä purkautumisen.
Valoisa avaimenperä tritiumilla.
Asiantuntijat ovat toistaiseksi rauhallisia
Huolimatta lähestymistavasta ensimmäisten natriumakkujen massatuotantoon ja aktiiviseen työskentelyyn grafeeniteholähteiden parissa, alan asiantuntijat eivät ennusta mitään kierroksia lähivuosiksi.
Rusnanon siipien alla toimiva ja litium-ioniakuja Venäjällä tuottava Liteko uskoo, että markkinoiden kasvun hidastumiselle ei ole vielä mitään syitä.”Litium-ioni-akkujen vakaa kysyntä johtuu pääasiassa niiden suuresta ominaisenergiasta (varastoituna massa- tai tilavuusyksikköä kohti). Tämän parametrin mukaan heillä ei tällä hetkellä ole kilpailijoita sarjassa tuotettavien ladattavien kemiallisten energialähteiden joukossa”, yritys kommentoi.
Samojen BroadBit-natriumakkujen kaupallisen menestyksen tapauksessa markkinat voivat kuitenkin muotoilla uudelleen muutamassa vuodessa. Ellei omistajat ja osakkeenomistajat halua ansaita paljon rahaa uudesta tekniikasta.
