È un paradosso, ma nonostante l'enorme percorso che l'elettronica ha fatto negli ultimi 30 anni, tutti i dispositivi mobili sono ancora dotati di batterie agli ioni di litio, che sono entrate nel mercato già nel 1991, quando il solito lettore CD era l'apice dell'ingegneria nella tecnologia portatile.
Molte proprietà utili di nuovi campioni in elettronica e gadget sono livellate dal tempo scarso di alimentazione di questi dispositivi da una batteria mobile. Saponi scientifici e inventori si sarebbero fatti avanti molto tempo fa, ma sono tenuti dall '"ancora" della batteria.
Diamo un'occhiata a quali tecnologie possono trasformare il mondo dell'elettronica in futuro.
Innanzitutto, un po 'di storia
Molto spesso, le batterie agli ioni di litio (Li-ion) vengono utilizzate nei dispositivi mobili (laptop, telefoni cellulari, PDA e altri). Ciò è dovuto ai loro vantaggi rispetto alle batterie al nichel-metallo idruro (Ni-MH) e al nichel-cadmio (Ni-Cd) precedentemente ampiamente utilizzate.
Le batterie agli ioni di litio hanno parametri molto migliori. Tuttavia, va tenuto presente che le batterie Ni-Cd hanno un vantaggio importante: la capacità di fornire correnti di scarica elevate. Questa proprietà non è di fondamentale importanza quando si alimentano laptop o telefoni cellulari (dove la quota di ioni di litio raggiunge l'80% e la loro quota sta diventando sempre di più), ma ci sono alcuni dispositivi che consumano correnti elevate, ad esempio tutti i tipi di utensili elettrici, rasoi elettrici, ecc. P. Fino ad ora, questi dispositivi sono stati quasi esclusivamente il dominio delle batterie Ni-Cd. Tuttavia, attualmente, soprattutto in relazione alla restrizione dell'uso del cadmio in conformità con la direttiva RoHS, la ricerca sulla creazione di batterie senza cadmio con un'elevata corrente di scarica si è intensificata.
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Le celle primarie ("batterie") con un anodo di litio sono apparse all'inizio degli anni '70 del XX secolo e hanno trovato rapidamente applicazione grazie alla loro elevata energia specifica e ad altri vantaggi. È stato così realizzato il desiderio di lunga data di creare una sorgente di corrente chimica con l'agente riducente più attivo, un metallo alcalino, che ha permesso di aumentare notevolmente sia la tensione di funzionamento della batteria che la sua energia specifica. Se lo sviluppo di celle primarie con anodo al litio è stato coronato da un successo relativamente rapido e tali celle hanno preso saldamente il loro posto come fonti di alimentazione per apparecchiature portatili, la creazione di batterie al litio ha incontrato difficoltà fondamentali, che hanno richiesto più di 20 anni per essere superate.
Dopo molti test negli anni '80, si è scoperto che il problema delle batterie al litio è attorcigliato attorno agli elettrodi al litio. Più precisamente, attorno all'attività del litio: i processi avvenuti durante il funzionamento, alla fine, hanno portato ad una reazione violenta, chiamata "ventilazione con emissione di fiamma". Nel 1991 sono state richiamate negli stabilimenti di produzione un gran numero di batterie al litio, utilizzate per la prima volta come fonte di alimentazione per i telefoni cellulari. Il motivo: durante una conversazione, quando il consumo di corrente è massimo, una fiamma è stata emessa dalla batteria, bruciando il viso dell'utente del telefono cellulare.
A causa dell'instabilità insita nel litio metallico, soprattutto durante la carica, la ricerca si è spostata nel campo della creazione di una batteria senza l'uso di Li, ma utilizzando i suoi ioni. Sebbene le batterie agli ioni di litio forniscano una densità di energia leggermente inferiore rispetto alle batterie al litio, le batterie agli ioni di litio sono sicure se fornite con le condizioni di carica e scarica corrette. Tuttavia, non sono immuni alle esplosioni.
Anche in questa direzione, mentre tutto cerca di svilupparsi e di non fermarsi. Ad esempio, gli scienziati della Nanyang Technological University (Singapore) hanno sviluppato un nuovo tipo di batteria agli ioni di litio con prestazioni da record. Innanzitutto, si carica in 2 minuti fino al 70% della sua capacità massima. In secondo luogo, la batteria ha funzionato quasi senza degrado per più di 20 anni.
Cosa possiamo aspettarci dopo?
Sodio
Secondo molti ricercatori, è questo metallo alcalino che dovrebbe sostituire il costoso e raro litio, che, per di più, è chimicamente attivo e pericoloso per il fuoco. Il principio di funzionamento delle batterie al sodio è simile a quello del litio: usano ioni metallici per trasferire la carica.
Per anni, scienziati di vari laboratori e istituti hanno lottato con gli svantaggi della tecnologia del sodio, come la carica lenta e le basse correnti. Alcuni di loro sono riusciti a risolvere il problema. Ad esempio, i campioni di pre-produzione delle batterie BroadBit si caricano in cinque minuti e hanno una capacità da una volta e mezza a due volte. Dopo aver ricevuto numerosi premi in Europa, come l'Innovation Radar Prize, l'Eureka Innovest Award e molti altri, l'azienda è passata alla certificazione, alla costruzione di fabbriche e all'ottenimento di brevetti.
Grafene
Il grafene è un reticolo cristallino piatto di atomi di carbonio dello spessore di un atomo. Grazie alla sua enorme superficie in un volume compatto, in grado di immagazzinare carica, il grafene è una soluzione ideale per la creazione di supercondensatori compatti.
Esistono già modelli sperimentali con una capacità fino a 10.000 Farad! Un tale supercondensatore è stato creato da Sunvault Energy in collaborazione con Edison Power. Gli sviluppatori affermano che in futuro presenteranno un modello, la cui energia sarà sufficiente per alimentare l'intera casa.
Tali supercondensatori hanno molti vantaggi: la possibilità di una carica quasi istantanea, compatibilità ambientale, sicurezza, compattezza e anche basso costo. Grazie alla nuova tecnologia per la produzione di grafene, simile alla stampa su una stampante 3D, Sunvault promette il costo delle batterie quasi dieci volte inferiore a quello delle tecnologie agli ioni di litio. Tuttavia, la produzione industriale è ancora lontana.
Sanvault ha anche concorrenti. Un gruppo di scienziati dell'Università di Swinburn, in Australia, ha presentato anche un supercondensatore di grafene, che ha una capacità paragonabile alle batterie agli ioni di litio. Può essere ricaricato in pochi secondi. Inoltre, è flessibile, il che gli consentirà di essere utilizzato in dispositivi di vari fattori di forma e persino in abiti eleganti.
Batterie atomiche
Le batterie nucleari sono ancora molto costose. Nel prossimo futuro non saranno in grado di competere con le familiari batterie agli ioni di litio, ma non possiamo non menzionarle, perché le fonti che generano energia ininterrottamente da 50 anni sono molto più interessanti delle batterie ricaricabili.
Il loro principio di funzionamento, in un certo senso, è simile al funzionamento delle celle solari, solo che al posto del sole, la fonte di energia in esse contenuta sono isotopi con radiazione beta, che viene quindi assorbita dagli elementi semiconduttori.
A differenza della radiazione gamma, la radiazione beta è praticamente innocua. È un flusso di particelle cariche ed è facilmente schermato da sottili strati di materiali speciali. Inoltre è assorbito attivamente dall'aria.
Oggi lo sviluppo di tali batterie viene effettuato in molti istituti. In Russia, NUST MISIS, MIPT e NPO Luch hanno annunciato il loro lavoro congiunto in questa direzione. In precedenza, un progetto simile è stato lanciato dal Politecnico di Tomsk. In entrambi i progetti, la sostanza principale è il nichel-63, ottenuto per irraggiamento neutronico dell'isotopo nichel-62 in un reattore nucleare con ulteriore trattamento radiochimico e separazione in centrifughe a gas. Il primo prototipo della batteria dovrebbe essere pronto nel 2017.
Tuttavia, questi alimentatori beta-voltaici sono a bassa potenza ed estremamente costosi. Nel caso di uno sviluppo russo, il costo stimato di una fonte di energia in miniatura può essere fino a 4,5 milioni di rubli.
Alimentatore atomico a base di trizio NanoTritium di City Labs.
Nickel-63 ha anche concorrenti. Ad esempio, l'Università del Missouri ha sperimentato a lungo con lo stronzio-90 e si possono trovare in commercio batterie beta-voltaiche in miniatura a base di trizio. Ad un prezzo intorno ai mille dollari, sono in grado di alimentare vari pacemaker, sensori o compensare l'autoscarica delle batterie agli ioni di litio.
Portachiavi luminoso con trizio.
Gli esperti sono calmi per ora
Nonostante l'approccio alla produzione in serie delle prime batterie al sodio e il lavoro attivo sugli alimentatori al grafene, gli esperti del settore non prevedono alcuna rivoluzione per i prossimi anni.
La società Liteko, che opera sotto l'ala di Rusnano e produce batterie agli ioni di litio in Russia, ritiene che non ci siano ancora ragioni per un rallentamento della crescita del mercato. “La domanda costante di batterie agli ioni di litio è principalmente dovuta alla loro elevata energia specifica (immagazzinata per unità di massa o volume). Secondo questo parametro, al momento non hanno concorrenti tra le fonti di energia chimica ricaricabili prodotte in serie”, commenta l'azienda.
Tuttavia, in caso di successo commerciale delle stesse batterie al sodio BroadBit, il mercato può riformattare nel giro di pochi anni. A meno che i proprietari e gli azionisti non vogliano fare molti soldi con la nuova tecnologia.
