Futurology 1.1: Kleinere Batterien mit höherer Kapazität sind näher als je zuvor

Zurück zu Jahresbeginn in unserem Smartphone-Futurologie Serie, wir diskutiert die Technologie hinter dem Akku in Smartphones und was in Zukunft kommen wird. Dieser Artikel ist eine kurze Aktualisierung dieses Artikels und befasst sich mit einigen der jüngsten Entwicklungen bei Batterien, die auf Lithiumchemie basieren - wie die, die die überwiegende Mehrheit der Smartphones mit Strom versorgen.

Wir werden uns genauer ansehen, was die Akkulaufzeit Ihres Telefons im Laufe der Zeit verkürzt und wie hoch die Kapazität ist Technologien wie Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Metall-Anoden sind näher als je zuvor praktisch. Begleiten Sie uns nach der Pause.

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Bildnachweis: Gemeinsames Zentrum für Energiespeicherforschung

Einer Gruppe unter der Leitung des Joint Center for Energy Storage Research in den USA gelang es, Beweise für die Prozesse zu sammeln, die hinter der Verschlechterung von Lithiumbatterien im Laufe der Zeit stehen

Lithiummetallabscheidung auf der Li-Po-Elektrode über die Zeit
Anerkennung: Gemeinsames Zentrum für Energiespeicherforschung

Das Team entwickelte eine neue Methode unter Verwendung von STEM (Raster-Transmissionselektronenmikroskopie - eine Methode für Analyse unglaublich kleiner Strukturen), um diese Ablagerungen in einer Lithium-Polymer-Batterie zu beobachten Zeit.

Die Anode einer Lithiumbatterie bestimmt die Gesamtkapazität, und diese Wucherungen stören, wie effizient die Anode Lithiumionen speichern und somit die Kapazität der Batterie verringern kann. Es wurde auch gezeigt, dass diese dendritischen Wucherungen von Lithiummetall gefährlich sein und interne Fehler verursachen können, die dazu führen, dass die Batterie im Ballon aufsteigt oder noch schlimmer explodiert^[2].

Mit diesen bahnbrechenden Fähigkeiten zur Beobachtung solcher Prozesse konnte das Team die Faktoren bestimmen, die steuern Diese Zuwächse werden Forschern auf diesem Gebiet helfen, die Langlebigkeit und Sicherheit von kommerziellem Lithium zu verbessern Batterien.

Bildnachweis: Universität von Kalifornien

Wie bereits erläutert, hat die Anzahl der veröffentlichten Artikel zur Lithium-Schwefel-Technologie dramatisch zugenommen Die Technologie wird als die nächste Iteration in der Lithiumbatterietechnologie angesehen und ersetzt das weit verbreitete Lithiumpolymer Zellen. Um es noch einmal zusammenzufassen:

Lithium-Schwefel ist ein äußerst attraktiver Ersatz für aktuelle Technologien, da es ebenso einfach herzustellen ist und eine höhere Ladekapazität aufweist. Besser noch, es werden keine leicht flüchtigen Lösungsmittel benötigt, die die Brandgefahr durch Kurzschlüsse und Pannen drastisch verringern.

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Kürzlich hat eine Gruppe der University of California eines der Probleme im Zusammenhang mit der Lithium-Schwefel-Chemie gelöst und letzten Monat einen Artikel darüber veröffentlicht^[3].

Da Probleme mit der Langlebigkeit von Li-S-Batterien gelöst sind, wird die Technologie immer praktischer.

Während der chemischen Reaktionen, die bei Lade- und Entladevorgängen auftreten, werden Polysulfidketten gebildet. Diese Ketten müssen intakt durch den Elektrolyten fließen und hier liegt das Problem, das Polysulfid kann sich manchmal in der Lösung lösen^{[4, 5]} Dies wirkt sich stark auf die Lebensdauer der Batterie aus.

Die Gruppe entwickelte ein Verfahren zum Beschichten dieser Polysulfide zu Nanokugeln unter Verwendung einer dünnen Schicht aus Siliziumdioxid (im Wesentlichen) Glas), das das Polysulfid vom Elektrolyten fernhält, während es sich leicht zwischen dem Elektrolyten bewegen kann Elektroden. Da Probleme wie diese ständig von zahlreichen hart arbeitenden Forschungsgruppen gelöst werden, rückt die Zukunft der Lithium-Schwefel-Batterien in unseren Telefonen jeden Tag näher.

Bildnachweis: SolidEnergy-Systeme

Wenn Sie sich an den Artikel über Batterie-Futurologie erinnern, habe ich erwähnt, dass die Verwendung von Lithiummetall als Anode aufgrund der zusätzlichen Kapazität, die sie mit sich bringen, der "heilige Gral" von Anodenmaterialien ist.

SolidEnergy Systems Corp. haben ihre "anodenlose" Lithiumbatterie gezeigt, die im Wesentlichen die normalen Graphit- und Verbundanoden durch eine dünne Lithiummetallanode ersetzt. Sie behaupten, sie verdoppeln die Energiedichte im Vergleich zu einer Graphitanode und 50% im Vergleich zu einer Siliziumverbundanode.

Die neuesten "anodlosen" Batterien sollen die Energiedichte des aktuellen Telefons verdoppeln.

Das obige Bild, das SolidEnergy veröffentlicht hat, zeigt die drastische Verkleinerung, obwohl ich erwähnen sollte, dass es leicht irreführend ist. Sowohl der Xiaomi-Akku als auch der Samsung-Akku sind austauschbar und verfügen über einen zusätzlichen Kunststoff Shell und zusätzliche Elektronik wie eine Ladeschaltung oder sogar (in einigen Samsung-Akkus) ein NFC Antenne.

Allerdings können Sie den erheblichen Größenunterschied zwischen dem 1,8-Ah-internen Akku des iPhones und dem 2,0-Ah-SolidEnergy-Akku erkennen der Nachrichtenbericht der BBC.

Mit Flaggschiff-Handys mehrerer Hersteller - einschließlich Samsung Galaxy S6 und Apples iPhone 6 - In Richtung dünnerer Designs wird der Bedarf an dichteren Batterien immer größer. Wenn Sie mehr Akkuleistung in einen kleineren Bereich stecken, können Sie auch größere Mobilteile im Phablet-Stil mehrere Tage lang verwenden und gleichzeitig mehr Saft für das Gerät bereitstellen Stromhungrige Prozessoren der Zukunft.

Wir blicken auf eine Zukunft, in der es einfacher als je zuvor sein wird, den gefürchteten leeren Akku des Smartphones zu vermeiden.

Und wenn es um Lithium-Schwefel-Batterien geht, verringert sich die Brandgefahr durch Kurzschluss oder Durchschlag sollte die Verwendung unserer Geräte sicherer und für die Hersteller weniger gefährlich (und kostspielig) machen.

Kombinieren Sie dies mit den jüngsten Fortschritten beim schnelleren Laden und das Wachstum des kabellosen Ladens in den letzten Jahren, und wir schauen auf eine Zukunft, in der es einfacher als je zuvor sein wird, einen leeren Smartphone-Akku zu vermeiden.

Wann werden diese neuen Technologien verfügbar sein? SolidEnergy schätzt, dass seine "anodlose" Lösung 2016 auf den Markt kommen wird, und wir sehen einen ähnlichen Zeitplan auch für Li-S-Batterien angesichts der jüngsten Entwicklungen rund um diese Technologie. Das heißt nicht, dass sie im nächsten Jahr auf tatsächlichen Mobilgeräten ausgeliefert werden - dennoch kann die Revolution in der Batterietechnologie, auf die wir alle gewartet haben, nicht weit entfernt sein.

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Verweise

1. B.L. Mehdi, J. Qian, E. Nasybulin, C. Park, D.A. Welch, R. Faller, H. Mehta, W.A. Henderson, W. Xu, C.M. Wang, J. E. Evans, J. Liu, J.G. Zhang, K.T. Mueller und N. D. Browning, Beobachtung und Quantifizierung von nanoskaligen Prozessen in Lithiumbatterien durch Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): p. 2168-2173.
2. G. Zheng, S.W. Lee, Z. Liang, H.-W. Lauch. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu und Y. Cui, Verbundene hohle Kohlenstoffnanokugeln für stabile Lithiummetallanoden, Nat Nano, 2014. 9 (8): p. 618-623.
3. B. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Gefälligkeiten, R. Ionescu, C. S. Ozkan und M. Ozkan, SiO2-beschichtete Schwefelpartikel mit leicht reduziertem Graphenoxid als Kathodenmaterial für Lithium-Schwefel-Batterien, Nanoscale, 2015.
4. Y. Y. Yang, G. Zheng und Y. Cui, Nanostrukturierte Schwefelkathoden, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): p. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, Z.W. Seh, H. Yao und Y. Cui, Verständnis der Rolle verschiedener leitfähiger Polymere bei der Verbesserung der Leistung nanostrukturierter Schwefelkathoden, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.