ワイアード誌によると、電力の電子製品の幅広いあり、ラップトップのスマートフォンから、電気自動車から電子タバコに、リチウムイオン電池を報告した。しかし、リチウムの電位が極端に開発されたと、研究者たちは、水で1回、次の画期的なバッテリーを見つけよう。あなたが盾に。「爆弾」を保持していることを意味し、スマートフォンでこの記事を、読んでいる場合は、リチウム（非常に揮発性金属、接触が点灯します）の化合物が分解され、強力な化学反応に再建され、化学反応は、現代の世界のために不可欠な推進力を提供します。
李は、携帯電話、タブレットPC、ノートパソコンやスマートウォッチに使用される、と私たちの電子タバコや電気自動車に存在している。それは、ソフトボディのような光であり、携帯用電子製品の製造、エネルギー集約型材料に属していますしかし、消費者の技術がより強力になるにつれて、リチウムイオン電池技術は常に困難に直面しています。現在、世界がリチウムに依存しているように、科学者たちは、世界のバッテリー。
多くのスマートフォンのバッテリーが丸一日をサポートすることは困難であることを意味偉大な明るい画面、より高速な処理速度、高速データ接続とスリムなデザインのファッションは、。時には、でも、携帯電話ユーザーは、数回に充電されます使用の2年後、多くのデバイスが劇的にバッテリ寿命を短くして、ゴミ箱に投げなければならなかったでしょう。また、リチウムの大きな利点その最大の弱点。それは不安定であり、爆発することがあります。エネルギーリチウムイオンノートパソコンのバッテリーほぼ同じイオン性物質の手榴弾のように、創業者兼CEOのマイク・ジマーマン（マイク・ジマーマンは）言った：「灯油としての彼のポケットのようなポケットスマートフォン」。
Zimmerman氏は、米国マサチューセッツ州ウォーバーンにある会社の研究室で燃焼の効果を目の当たりにした。ある実験では、マシンがバッテリーパックを通して釘を駆動し、バッテリーパックが急速に膨張する。過去50年間の電池の研究は、常に極限までリチウムを押し込まずに、可能な限り多くのエネルギーを放出する性能と安全性の間の綱渡りであった。
2022年には世界の電池市場は250億ドルに達すると予測されていますが、消費者は毎回1回の調査でスマートフォンを最も懸念していると考えています。機能：次の10年でエネルギー消費量の多い5Gネットワークの人気が高まるにつれて、問題は悪化するだけです。問題を解決できる人にとっては、大きな利益を得るでしょう。
Ionic Materialsは、バッテリ問題を根本的に再考する壮大な競争に乗り出している数十社の企業の1つに過ぎませんが、間違った冒険、苦しい訴訟およびスタートアップの失敗によって競争が激しさを増しています。スタートアップ、大学、世界的に資金提供を受けている国立研究所の科学者は、新しい材料を見つけるために洗練されたツールを使用しています。スマートフォンバッテリーのエネルギー密度を大幅に上げようとしているようです。バッテリーの寿命を延ばし、より環境に優しく、より安全なデバイスを作成し、数秒で再充電し、1日を通して連続使用に十分です。
1799年にイタリアの物理学者Alessandro Voltaがカエルの議論を解決するために電池を発明して以来、各電池は同じ主要コンポーネントを持っています。 ：2つの金属電極 - 負に帯電した陽極と正に帯電した陰極、電解質と呼ばれる物質で隔てられます。電池が電気回路に接続されると、陽極の金属原子が化学的に反応して電子を失います。正に荷電したイオンとなり、電解質を介して正極に引き寄せられ、同時に負に帯電した電子もカソードに流れるが、電解質を通過せずにセル外の回路を伝播する。デバイスに接続して電源を供給します。
アノード上の金属原子は最終的に使い果たされますが、これはバッテリーの電力が不足していることを意味しますが、充電式バッテリーではこのプロセスを逆にしてイオンと電子を元の位置に戻して再びサイクルを開始する準備ができます。純粋な金属で作られた電極は、崩壊することなく原子の一定の圧力に耐えることができないため、再充電可能な電池は繰り返しの充電サイクルでアノードとカソードの形状を維持するために材料の組み合わせを使用する必要があります。充電式電池の性能は、建物を崩壊させることなく部屋に出入りする速度に大きく依存します。
1977年、英国の若手科学者スタン・ウィッティンハムは、ニュージャージー州リンデンのエクソン工場で働き、アノードを建設し、アルミを使用してアパートブロックを形成しました。電池を充電すると、リチウムイオンが陰極から陽極に移動し、アルミニウム原子間の隙間に析出し、放電時には電解液を介して逆方向に移動します。陰極の側面へのスペース。
Whittinghamは、世界で初めてソーラー時計に電力を供給するコインサイズのリチウムバッテリを発明しましたが、電圧を上げたり（より多くのイオンを出し入れする） 1980年、オックスフォード大学で働くアメリカの物理学者John Goodenoughが画期的な成果を上げましたGoodnowはキリスト教徒であり、かつては第二世界にいました。戦争では、米陸軍の気象学者として働き、金属酸化物の専門家でもあり、Whitinghamが使用しているアルミニウム化合物よりも、リチウムのためにより強いケージを提供できる物質があると確信しています。
グッドノーは、リチウムを異なる金属酸化物と比較して、崩壊前にどれだけの量のリチウムを抽出できるかを調べるために、ポストドクターの2人の研究者に、周期表を体系的に調べました。アフリカ中部の青灰色の金属であるコバルトと青色の混合物リチウムコバルト酸化物はリチウムの半分の放電に耐えることができ、これを陰極として使用すると電池技術の大きな一歩を踏み出すことができます。コバルトは、軽量で安価な素材で、小型機器と大型機器の両方に適しており、市場の他の素材より優れています。
今日、グッドナウの陰極は、地球上のすべてのハンドヘルドデバイスにほとんど現れていますが、オックスフォードは特許を申請することを拒否し、彼自身がこの権利を放棄しましたが、その可能性が変わりました。何が起こったのか？ソニーは、10年の歳月を経て1991年にGoodoodのリチウムコバルト酸化物陰極と炭素陽極を組み合わせ、新しいCCD-TR1カメラの電池寿命を改善しようと試みました。世界を変えた消費者向け充電式リチウムイオン電池。
ジャンBodiqiefuチョムスキー（ジーンBerdichevsky）は第七テスラの従業員だった。2003年に設立すると、この電気自動車会社、着実にバッテリーのエネルギー密度は、十年の年間増加が起こってきた改善その範囲は約7％でしたが、Berdychevskyは2005年頃にリチウムイオン電池の性能が安定し始めたことを発見しました。過去7〜8年で科学者は0.5％でも戦うために最善を尽くす必要があります。バッテリーの性能が向上しています。
Berdychevsky氏は、「27年の現代的な化学反応の後、絶え間なく洗練されています」材料はより純粋で、電池メーカーは各層を作ることができましたBerdychevskiはそれを「瓶から空気を吸い出す」と呼んでいますが、それ自体のリスクもあります。現代の電池は非常に薄い陰極電解質とアノード材料の交互の層は、電池から所望の場所に電子を運ぶために、銅およびアルミニウムの電荷コレクタと緊密に一体化されている。
多くのハイエンド電池では、接触と短絡を防止するために、陰極と陽極の間にプラスチックダイヤフラムが配置されており、厚さはわずか6ミクロン（人間の髪の毛の約1/10）であり、粉砕損傷の影響を受けやすくなっています。このため、航空会社のセキュリティビデオは、あなたの電話機が機構に入る場合、シートを調整しようとしないように警告するようになりました。
リチウムイオン電池のすべての改善のため、トレードオフです。エネルギー密度を向上させ、セキュリティを低減し、高速充電の導入は、電池性能が速く低下することを意味し、バッテリーのサイクル寿命を減らすことができる。可能性がリチウムイオンに近いです。正極、負極、電解液とセパレータを、ますます使用 - 理論限界グッド・イワノフの画期的なことから、研究者は、体系的にバッテリーを調べる4つの主要コンポーネントを含め、前方の次の飛躍を見つけようとしてきましたより複雑なツール。
Clare Grayはオックスフォード大学のGoodnowの学生で、空気中の酸素を別の電極として使ってリチウム空気電池を研究しています。理論的には、これらの電池は莫大なエネルギーを提供します。密度は、実際には汚れていて予測できない空気はもちろんのこと、実験室では難しくありませんが、信頼性が高く、数サイクル以上持続します。
グレイ氏は最近、このような問題を抱えていると主張していますが、リサーチ・コミュニティはリチウム・硫黄電池に注目しており、より安価でより強力なリチウムイオン代替物を提供しています。ソニーは、この問題を解決したと主張し、2020年までにリチウム硫黄電池を含む民生用電子機器を市場に投入することを望んでいます。 。
マンチェスター大学で材料科学者Xuqing Liuは、炭素アノードからより多くのエネルギーを絞り出すための試みの1つであり、グラフェンに似た2次元材料を組み合わせて表面積を拡大し、リチウム原子を増加させます。 Liu Xuqingは、これを書籍に追加されたページ数と比較し、乾燥した実験室の建設に投資した。これにより、研究者は異なる構成要素を安全かつ容易に交換して、異なる電極および電解質を試験することができる。組み合わせ。
信じられないことに、Goodnow自身もこの問題を研究しています。昨年、94歳で、彼は既存のリチウムイオン電池の3倍の容量のバッテリーを記述した論文を発表しました。研究者は「Goodnow以外の誰かがこの記事を発表すれば、私は結婚したいと思うかもしれない」と言った。
しかし、何千もの論文、数十億ドルの資金、数十の新興企業が設立され資金提供されているにもかかわらず、ほとんどの家電製品の基本的な化学機能は1991年以来ほぼ変わっていません。 iPhone Xのバッテリーは、ソニー初のビデオカメラとほぼ同じです。これは、コバルト酸リチウムとカーボンの組み合わせに代わるものではありません。
したがって、2008年にBerdychevskyはテスラを去り、新しい電池化学の研究に専念するようになりました。彼はより良い電池をつくる上で最大の障害であると信じている黒鉛アノードの代替品を見つけることに特に関心があります。 。Bodiqiefuチョムスキーは言った：「グラファイトの使用は、それが基本的に今ある熱力学の電池容量で、6〜7年となっている。」2011年に、彼と元同僚アレックス・テスラジェイコブス（アレックス・ジェイコブス）、ジョージア工科大学材料科学グレイブの教授・あなたシン（グレブ維新）共同設立シラナノテクノロジー。彼らはアタリのゲームにベイエリアアラメダのオープンプランのオフィスを持っています会議室の名前付けだけでなく、工業炉や実験室のガスパイプラインの完全な。
すべての可能な解決策を調査した結果、3人の男性は理論的にシリコンが最も有望な材料であると判断し、技術を働かせるだけで済みました。多くの人が以前に試してみましたが、シリコン原子は4個のリチウムイオンを結合することができます。つまり、シリコンアノードは、同じ重量のグラファイトアノードより10倍以上のリチウムを貯蔵することができます。この可能性は、National Academy of Researchがシリコンアノード材料に興味を持つことを意味し、Amprius、Enovix、Enviaなどのベンチャーキャピタル企業が支援するスタートアップも同様です。
充電中にリチウムイオンがアノードに付着すると、それはわずかに膨張し、使用中に再び収縮し、繰り返し充電サイクルの間、この膨張および収縮は固体電解質界面層を破壊するベルデシェフスキー氏は、「これは、無駄なゴミに閉じ込められている」と語った。
時間の経過とともに、これがスマートフォンが急速にエネルギーを失う主な理由です。グラファイトアノードは約7％伸び縮みしますので、性能が急激に低下する前に約1000回の充放電サイクルを完了できます。スマートフォンは2年間持続し、毎日充電されますが、シリコン粒子は非常に多くのリチウムを吸収することができるため、充電すると（400％まで）はるかに膨れます。研究室で5年以上にわたり、Silaナノテクノロジーは、拡大問題を解決するためにナノコンポジットを開発しました。
Bodiqiefuシャランスキー、30,000回の反復（異なる柱や部屋の組み合わせの後。グラファイトアノードは、「マンション」である場合は、すべての部屋」は同じ大きさで、しっかりと一緒にパックされていることを説明しました）、彼らは各フロアにはリチウムを得ることにケイ素原子の拡大のための十分なスペースを持って陽極を形成し、彼は言った：「我々は、建物内に閉じ込められた余分なスペースを置く。」陽極を維持しながらこれは、拡張の問題を解決します外形寸法及び形状安定性。
Bodiqiefuシャランスキーは、材料の第一世代来年シラナノ技術は、製造業者によって提供されることを言った、セキュリティを向上させながら、エネルギーの20％の密度、そして最終的に40％増加します、と彼は言った：「シリコンLETあなたエッジから離れ、あなたが本当に大幅に増加、セキュリティのために、1％またはスペースの2％を空にすることができます。「最も重要なことは、それはまた、既存の設計に直接変換することができている。電池メーカーは、アジアでの競争と準備を行うために、電気自動車の時代のための設備能力を高め、Bodiqiefuチョムスキーは、製品の現在の生産プロセスと互換性のないは除外される可能性が高いと考えている、と彼は言った：「技術は、まだリチウムイオンを置き換えることができますが存在しない場合市場になると、それは無数のユーザーグループを導くでしょう。
バッテリーが完全に充電および放電される場合には、二つの電極ダンス間のリチウムイオン、時には彼らは電極の外側に集まるだろう、バッテリーの充電が速すぎる場合は特に、逆に戻すことは困難である、徐々に樹枝状の枝、鍾乳洞の上のように。最終的に、これらはつや消しの樹状窓ガラスのように見える、電解質を介してすべての道を延長することができる、セプタム、およびタッチで電極間の短絡を貫通します。
層の間の距離が近づいているように、このリスクは、エラーの可能性が増加する増加します。サムスンは、エラーが損傷を引き起こす可能性があり、コストが非常に高いことがわかった昨年のように、小さな製造業を欠陥が内部短絡ギャラクシー注7の携帯電話のバッテリーにつながっている。いくつかのデバイス上で、互いのアノードとカソードの最終接触を、34億ユーロの損失推定サムスンが得られ、この壊滅的なリコールから。イオン性物質の会社ジマーマンは説明します：「この問題が発生したとき、バッテリーが非常に熱く、液体電解質になることができ、熱暴走は、火災や爆発につながる、発生する可能性があります。」
この状況は非常に危険であり、実際にはリチウムイオン電池にはほとんどリチウムが存在せず、純粋な金属リチウムを安全に金属コバルト酸化物ケージから放出する方法があれば、それはWhitinghamは1970年代にエネルギー密度を10倍に高めようと試みたが、これはバッテリー研究の「聖杯」と呼ばれ、Zimmermanはそれを発見したかもしれない。
人々は電解質に浸漬された物質の使用を徐々に止めましたが、代わりにゲルやポリマーを使用していましたが、まだ一般的に可燃性であり、 Zimmerman自身は、バッテリー制御ではないと認め、材料科学、特にポリマーを専攻し、Bell LabsとTufts Universityで教鞭を執った。数年後、私はビジネスを始めました。
2000年代初頭、ジマーマンは、一部の人々は、固体電解質ストレージ電解質に液体から有効にしようとしている、その時点で充電式電池に興味を持つようになった、上級科学者ドナルドハイゲート（ドナルドハイゲート）は説明する：「原則的には、理由固体電解質電池は。あなたが小さい電池を使用することができ、。あなたはそれを懸命に働くことができます、同じアプリケーションより安全である「しかし、彼らは主にセラミックやガラスなので、それは、脆い大量生産することは困難です。」
プラスチックはセパレータ内のセル、すなわち電極との接触を防ぐために電解液の中央に使用されています。正しい材料を見つけることができれば、液体電解質とセパレータを廃棄し、層状の固体プラスチックで、このプラスチック層は耐火性であり、2つの層の間で樹状突起が成長するのを防ぎます。Ionic Materialsでは、Zimmermanは新しい伝導機構を持つポリマーを作りました電子が金属を通過する様子これは、室温でリチウムイオンを伝導する最初の固体ポリマーであり、柔軟性があり、低コストであり、様々な試験に耐えることができます。
1つの実験において、その弾道ラボへの原料は、典型的には、防弾チョッキをテストするために用いられ、9ミリメートルの弾丸がそれを撮影する。サムスンタブレットバッテリの2本のワイヤ（フラット銀袋）後者の電源を慎重に除去される。弾丸がヒットした後、電池を使用すると、溶岩のように、クレーターから排出されたプラスチックと金属を見ることができ、スローモーションで火山のように爆発しますが、内部バッテリーが出て壊れません何の爆発や各衝突を発射、ジマーマンに残るデバイスは言いません。「私たちは常に、我々はバッテリーが動作し続けることができ期待したことがないポリマーは、それがより安全になることを信じています」
Zimmerman氏によると、このポリマーはリチウム金属の開発を促進し、リチウム - 硫黄やリチウム - 空気などの新しい電池化学の採用を加速するだろうが、長期的な将来はリチウムだけではないかもしれない。言った： 'この改善は、機器の性能の向上のスピードに一致することはできません、我々は革命が必要です。
John Goodenoughがリチウムイオンのブレークスルーに関する特許を放棄する契約を結んだOxfordshireの巨大なHarvard Science and Innovation Parkでは、Stephen Voller Wallerは、50歳近くのマンチェスター市のファンであり、初のブラウザブランドNetscapeに参加する前は、IBMのソフトウェアエンジニアとして働いていました。同社がAOLに買収された後、Waller氏はノートパソコンのバッテリー寿命の限界にますます失望していたので、いくつかの対策を講じることにしました。
ウォーラー最初のアイデアは、電池巡航時間を延長するために水素燃料電池を使用することですが、それは、揮発性のポータブル電子製品乗り越えられない課題であることが判明した、と彼は言った：そして、「空港のセキュリティによる水素が非常に困難であるしましょう」 、バッテリーは化学エネルギーを蓄積する際にオックスフォード大学の知人で、ウォーラーは。より多くのスーパーコンデンサのような急速充電の材料特性を含む、いくつかのエキサイティングな研究を聞いたが、スーパーキャパシタは、電界中に置くことができますバルーン上の静的なコレクションと同じように。
スーパーキャパシタの問題は、彼らがそんなにエネルギーと電気を格納するためのバッテリーがすぐにリークします。あなたは、多くの場合、リチウムイオン電池持続可能な二週間放電し、使用していない、とウルトラキャパシタは、わずか数時間維持することができた場合は好きではないということです。多くの業界インサイダーは一緒にスーパーコンデンサと電池の組み合わせは、それが電力を消費スマートフォンや他の消費者技術製品のために有利であり得ることを信じている。ハイゲートは、スーパーキャパシタは、2分以内に充填することができる電気のミックスを作るために使用することができました携帯電話だけでなく、バックアップのリチウムイオン電池として、彼は言った：「あなたは非常に迅速に充電することができた場合、あなたがコーヒーを攪拌充電するとき、あなたは、誘導コイルの上に置くことができます "
彼は、彼がもっとうまくできると主張した。2013年に、彼はZapGoを設立し、同社は早く、その充電速度とスーパーキャパシタを炭素ベースのバッテリーを開発しているが、リチウムイオン電池の充電時間似ています。2017年11月に同社のスタッフは22人に増加しているステープルトン、シャーロット、ノースカロライナ州のオフィス卢瑟福德阿ハーウェル研究所で働いていた。その最初の民生用電池は年末に使用されます自動車のジャンプスタート装置、及び8-5時間電動スクーターから充電時間を含むサードパーティ製品の導入。
ウォーラーハンドピースの炭素繊維は、固体電解質が発火、使用されない、バッテリである。2つの電極は、表面積を増大させるために、上記カーボンナノ構造体で覆われたアルミニウムの薄い層である。ウォーラー言った：「あなたはそれがヒマラヤに見えるようにしたい。」顕微鏡下、それは効率を改善し、主にシームレスと電解質を確保することにより、漏れの量を減らすために、より多くの都市のスカイラインのようなキーZapGo技術の概要を説明しているが。上の炭素のスカイラインはベルクロのようにマッチします。
Waller氏は、「化学反応が起こっていない」と述べ、新しい電池はリチウムである100,000回の放電サイクルが持続できると主張している。現在の第3世代のZapGoバッテリーはまだスマートフォンを動かすほど強力ではありませんが、使用される材料は電圧を上げるのに支障がありません、Wallerこのバッテリーは2022年、すなわち「iPhone 15の前後に使用」される予定です。
爆発の多くは、爆発を止めるのに必要な電子機器を持たない安価なサードパーティの充電器に起因しています。逆のことをするには、グリッドからエネルギーを集めて保存し、短時間で携帯電話に送ってください。研究室では、Wallerのチームはラップトップサイズの電源を構築しましたが、彼らはそれをより小さくより効率的にするために懸命に働いています。
ダイソン・デザイン・アンド・エンジニアリングのサム・クーパー氏を含む多くの人々は、これらの企業が本当に長い間その製品に長持ちするアクセサリーを植えたいのかどうかについて疑問を呈した。 Waller氏は、ZapGoが保有する30の特許のうちの1つが保有していることを認めているこの方法は人為的にバッテリの寿命を短くし、30年間使用を継続できないようにすることができます。「私たちはこれをしませんが、顧客が喜んでいれば、それらを提供する能力があります。
従来の技術と比較して、カーボンベースのエネルギー貯蔵技術は、携帯電話の外部構造として実際に使用することができますが、現在の携帯電話の設計に適したバッテリーは設計されていません。フォールディング機器の将来への準備5Gネットワークでは、すべてのデータがクラウドに由来し、バッテリ寿命がより重要になります。
彼のオフィスに狭い廊下に沿ってウォーラーは、エイリアンの宇宙船は、オックスフォードシャー州の田舎に上陸したように見える巨大な円形の建物であるダイヤモンド光源の影を通過し、午後の日に行ってきました、歩いた。インサイド研究者はリチウム理由を探るために、顕微鏡スケール上の潜在的な電池材料を研究するために加速器のビームを使用している - 硫黄電池は失敗し、アノードとカソードを得るための代替材料を見つけるために、これらの問題は、ほぼ30年間、この地域を悩ませてきました。
Waller氏はスマートフォンを空中に突き刺し、リチウムイオン電池の欠陥を嘆いていた。そのため、彼と何百人もの人々がこのハイリスクのレースに参加して、これらの完璧で欠陥のある彼はこう言った：「私たちは、バッククリップ電池でも、2つの携帯電話でも、このような状況に対処する戦略を開発しなければならない。それは狂っている。
