Bezpieczniejsze, trwalsze baterie

Podczas gdy niedawne masowe wycofania z rynku ujawniły obawy dotyczące bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych, dzisiejsze technologie akumulatorów mają w rzeczywistości szereg słabości. W przypadku uszkodzenia, przeładowania lub przegrzania akumulatory mogą eksplodować (patrz Bezpieczniejsze akumulatory litowo-jonowe ). Ale również tracą energię i tracą moc i żywotność, jeśli są używane w ekstremalnych temperaturach, powiedzmy, w zimowy dzień w stanie Iowa lub podczas fali upałów w Arizonie.

Trwałe baterie cienkowarstwowe mogą zasilać implanty medyczne i zdalne czujniki przez dziesięciolecia, a ostatecznie znaleźć zastosowanie w pojazdach elektrycznych.

Wkrótce na rynku pojawi się nowy typ akumulatora, który rozwiąże te problemy. Ale kosztem.

Te nowe baterie zastępują płynny lub żelowy elektrolit cienkimi warstwami litych materiałów podobnych do szkła lub polimerów, które są bardziej stabilne. Nic nie może przeciekać, nic nie może zamarznąć, nic nie może się zagotować, pęknąć ani eksplodować, mówi Tim Bradow, wiceprezes ds. rozwoju biznesu w Infinite Power Solutions w Golden, CO, wiodącego producenta akumulatorów cienkowarstwowych.

W akumulatorze elektrolit umożliwia przemieszczanie się jonów dodatnich z jednej elektrody na drugą, jednocześnie zmuszając elektrony do przemieszczania się przez zewnętrzny obwód, dostarczając energię. Firma Bradowa i kilku innych używa stałego, szklistego elektrolitu, który osadzają jako jedną z serii płaskich warstw, z których składa się bateria.

Oprócz tego, że jest bezpieczniejszy, ten solidny materiał umożliwia programistom stosowanie elektrod z czystego litu metalicznego, który może znacznie zwiększyć pojemność magazynową. Akumulatory mogą przetrwać ekstremalne zimno i ciepło, co oznacza, że ​​można je na przykład wbudować w gumowe opony, aby zasilać czujniki ciśnienia powietrza, mówi John Bates, dyrektor techniczny w Oak Ridge Micro-Energy w Tennessee.

Jak twierdzą programiści, ogniwa cienkowarstwowe mogą być przechowywane przez dziesięciolecia i zachowują prawie cały swój ładunek, a w razie potrzeby dostarczają potężny przypływ energii. W wielu zastosowaniach mogą być aktywnie używane przez dziesięciolecia, ponieważ mogą być ładowane i rozładowywane dziesiątki tysięcy razy.

Te cechy sprawiają, że baterie cienkowarstwowe są idealne dla niektórych nowych technologii. Zdalne czujniki, które wychwytują niewielkie ilości energii z wibracji, transmisji radiowych lub światła, wymagają baterii, które mogą przechowywać tę mikrodostawę energii bez jej ulatniania się z biegiem czasu. A zdalne czujniki potrzebują impulsów o dużej mocy, które może dostarczyć wiele z tych komórek, aby przesyłać dane za pomocą sygnałów radiowych do stacji centralnej.

Zdolność do zasilania transmisji radiowej jest również ważna dla przyszłych implantów medycznych, które będą dostarczać leki lub mierzyć poziom glukozy. Aplikacje te również skorzystają z długiej żywotności baterii; mogą być ładowane i rozładowywane przez wiele lat, eliminując potrzebę operacji w celu ich wymiany. To idealny rodzaj baterii do zasilania dowolnego urządzenia RF, ponieważ jest natychmiastowo włączany, a następnie przechodzi w tryb uśpienia, mówi Bradow. To właśnie kocha nasza bateria, a inne baterie nienawidzą. Jego firma planuje rozpocząć masową produkcję akumulatorów w przyszłym roku.

Niemniej jednak baterie cienkowarstwowe mogą nie być wyborem nowej generacji dla większości laptopów. Dzieje się tak, ponieważ procesy stosowane do ich wytwarzania, takie jak fizyczne osadzanie z fazy gazowej, są nadal zbyt drogie do produkcji dużych akumulatorów. Ponadto te baterie, które mogą mieć zaledwie jedną dziesiątą milimetra grubości, każda z nich zawiera tylko mikroilości energii – zaledwie jedną tysięczną ilości dzisiejszych baterii do laptopów. Chociaż można by je układać w stos, aby zapewnić odpowiednią pojemność, warstwy opakowania oddzielające materiały aktywne w każdej baterii zniwelowałyby ich zalety związane z pojemnością. Oznacza to, że prawdopodobnie kosztowałyby więcej, ale niekoniecznie byłyby mniejsze.

Pierwsze zastosowania, takie jak w przemysłowych pakietach czujników w sprzęcie wysokotemperaturowym lub szybach naftowych, będą takie, w których kupujący są skłonni zapłacić 100 dolarów za sztukę baterii spełniających ich potrzeby. Bradow twierdzi, że ich baterie można byłoby wytwarzać w znacznie mniejszych ilościach w dużych ilościach, co ostatecznie czyni je praktycznymi w rozproszonych sieciach czujników.

Pomimo obecnych wad akumulatorów cienkowarstwowych, Donald Sadoway, profesor chemii materiałowej w MIT, mówi, że niektóre ich wersje będą w przyszłości zasilać laptopy i pojazdy elektryczne. W jego myśleniu ich główną zaletą, poza bezpieczeństwem, jest to, że pozwalają na użycie czystego litu w jednej z elektrod, co nie jest możliwe przy użyciu płynnych elektrolitów: Jeśli możesz przejść na lit, osiągnąłeś najwyższy poziom w pojemności anody, mówi.

W przeciwieństwie do elektrolitu podobnego do szkła stosowanego przez Infinite Power Solutions i inne, Sadoway opracował elektrolit ze stałego polimeru (dzisiejsze polimerowe akumulatory litowo-jonowe wykorzystują żel) do stosowania w akumulatorach cienkowarstwowych. Mówi, że ten elektrolit można przetwarzać w zwoje, takie jak gazety, lub w inny wysokowydajny proces. Mówi, że taki proces dla baterii cienkowarstwowych, chociaż obecnie nie jest opracowywany przez przemysł, może obniżyć koszty, podczas gdy innowacyjne sposoby pakowania elektrod mogą zmniejszyć rozmiar. W laboratorium wyprodukowaliśmy baterie o mocy 300 watogodzin na kilogram, mówi. To dwa razy najlepszy [akumulator] litowo-jonowy na rynku.

ukryć