Согласно журналу Wired, литий-ионные батареи обеспечивают широкий спектр электронных продуктов: от смартфонов до ноутбуков, от электромобилей до электронных сигарет. Однако, поскольку потенциал лития развивается до крайности, исследователи работают Попробуйте найти следующий прорыв батареи. Если вы прочитаете эту статью на своем смартфоне, это означает, что вы держите «бомбу». Под защитным экраном литий (очень летучий металл, один раз с водой) Соединения, которые воспламеняются контактом, разрушаются и восстанавливаются в мощной химической реакции, которая обеспечивает непременную движущую силу для современного мира.
Li используется в мобильных телефонах, планшетные ПК, ноутбуках и смарт-часах, и присутствует в наших электронных сигаретах и электрических транспортных средствах. Это свет как мягкое тело, и принадлежит к энергоемким материалам, что делает его портативные электронные продукты идеальный источник энергии. Тем не менее, с потребителем технология становится все более и более мощными технологиями литий-ионного аккумулятора всегда было трудно идти в ногу с темпами. Теперь, они зависимы от случая лития, ученые стремятся изобретать мир Аккумуляторная батарея в мире.
Огромные освещенные экраны, более быстрая скорость обработки, быстрые подключения к данным и тонкий дизайн - все это мешает многим смартфонам поддерживать весь день. Иногда мобильным пользователям даже приходится несколько раз заряжаться. После двух лет использования срок службы батареи многих устройств будет резко сокращен и должен быть выброшен в мусор. Огромное преимущество лития также является его самой большой слабостью: он нестабилен и может взорваться. Энергия литиево-ионной аккумуляторной батареи для ноутбука Майк Циммерман, основатель и главный исполнительный директор Ionic Materials, сказал: «В кармане есть карман в кармане, как керосин в кармане».
Циммерман стал свидетелем горячего эффекта в своей исследовательской лаборатории компании в Уоберне, штат Массачусетс, США. В одном эксперименте машина управляет гвоздем через батарейный блок, а аккумуляторная батарея быстро расширяется. Как и попкорн в микроволновой печи, он затем излучает яркую вспышку. Исследования батарей за последние 50 лет всегда были плотностью между производительностью и безопасностью, то есть выталкивают энергию как можно больше, не выталкивая литий в крайности.
Сейчас мы делаем это. Предполагается, что к 2022 году мировой рынок батарей достигнет 25 миллиардов долларов США. Но потребители считают, что в одном обзоре за другим время автономной работы больше всего беспокоит смартфоны. Функция. Благодаря популярности сетей 5G с более высоким потреблением энергии в следующем десятилетии проблема будет только ухудшаться и ухудшаться. Для тех, кто может решить проблему, они получат огромные прибыли.
Ионные материалы - всего лишь одна из десятков компаний, которые приступают к эпическому соревнованию, которое принципиально переосмысливает проблему с батареей. Однако конкуренция страдает от неправильных начинаний, болезненных судебных разбирательств и неудачных стартапов. После десяти лет медленного развития надежда все еще существует. Ученые из стартапов, университетов и хорошо финансируемые национальные лаборатории во всем мире используют сложные инструменты для поиска новых материалов. Похоже, они собираются резко увеличить плотность энергии смартфонов. И время автономной работы, и создайте более экологически чистые, безопасные устройства, которые будут заряжаться за считанные секунды и достаточны для непрерывного использования в течение дня.
Так как итальянский физик Алессандро Вольта изобрел батарею в 1799 году, чтобы решить дебаты о лягушке, каждая батарея имеет те же ключевые компоненты. : Два металлических электрода - отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделенный веществом, называемым электролитом. Когда аккумулятор подключен к электрической цепи, атомы металла в аноде химически реагируют. Они теряют электрон. Становится положительно заряженным ионом и притягивается к положительному электроду через электролит. В то же время на катод поступают электроны (также отрицательно заряженные), но он не проходит через электролит, а распространяется через цепь вне ячейки. Он подключен к устройству для подачи питания.
Атомные атомы на аноде в конечном итоге заканчиваются, а это означает, что батарея разряжается. Но в перезаряжаемых батареях этот процесс можно изменить путем зарядки, заставляя ионы и электроны возвращаться в исходное положение, готовые снова начать цикл. Электроды из чистого металла не могут выдерживать постоянное давление атомов для входа и выхода без разрушения, поэтому перезаряжаемые батареи должны использовать комбинацию материалов для сохранения анода и катода в виде повторяющихся циклов зарядки. Эта структура может быть сравнена с многоквартирными домами. Есть «комнаты» для реактивных элементов. Производительность перезаряжаемых батарей в значительной степени зависит от того, как быстро вы можете попасть и выходить из этих комнат, не вызывая разрушения здания.
В 1977 году молодой британский ученый Стэн Уиттингем работал на заводе Exxon в Линдене, штат Нью-Джерси. Он построил анод и использовал алюминий для формирования «жилого дома». Стены и полы », используя литий в качестве активного материала. Когда он заряжает батарею, ионы лития перемещаются от катода к аноду и осаждаются в зазоре между атомами алюминия. При разрядке они движутся в другом направлении, обратно через электролит. Пространство сбоку от катода.
Whitingham изобрел первую в мире перезаряжаемую литиевую батарею, батарею с размером монет, которая заряжает солнечные часы. Но когда он пытается увеличить напряжение (делая больше ионов в и из) или пытается сделать большую батарею В 1980 году американский физик Джон Гуденаф, работавший в Оксфордском университете, сделал прорыв. Гуднов был христианином, когда-то во втором мире. На войне он служил метеорологом армии США, а также экспертом в области оксидов металлов. Он подозревает, что существует определенная веществом, которая может обеспечить более сильную клетку для лития, чем соединение алюминия, используемое Уайтингем.
Гольдэв направил двух докторантов-исследователей для систематического изучения периодической таблицы, сравнивая литий с различными оксидами металлов, чтобы узнать, сколько лития может быть извлечено из них до того, как они рухнут. Наконец, они идентифицировали литий. смесь кобальта и синего, который является сине-серым металлом по всей Центральной Африке. Оксид лития-кобальта может выдержать выход из лития, превышающий половину лития. Когда он используется в качестве катода, это большой шаг вперед в технологии батареи. Шаг. Кобальт - более легкий, менее дорогой материал, который подходит как для малого, так и для большого оборудования и превосходит другие материалы на рынке.
Сегодня катод Goodnow появляется почти на всех карманных устройствах на Земле, но он не сделал ни копейки. Оксфорд отказался подать заявку на патент, и он сам отказался от этого права, но это изменило эту возможность. Что случилось. В 1991 году, после 10 лет переделки, Sony объединила катодный оксид лития с кобальтом Goodnow с углеродным анодом, чтобы попытаться улучшить срок службы батареи новой камеры CCD-TR1. Это первая. Перезаряжаемая литий-ионная батарея для потребительских товаров, которая изменила мир.
Джин Бердичевский был седьмым сотрудником Теслы. Когда в 2003 году была основана электромобильная компания, плотность энергии батареи неуклонно возрастала в течение десяти лет, а ежегодный прирост Диапазон был около 7%, но примерно к 2005 году Бердычевский обнаружил, что производительность литий-ионных батарей стала стабилизироваться. За последние семь или восемь лет ученые должны сделать все возможное, чтобы сражаться даже на 0,5%. Улучшена производительность батареи.
По словам Бердычевского, «после 27 лет современных химических реакций они постоянно совершенствуются». Материалы более чистые, производители аккумуляторов смогли сделать каждый слой Путь к разбавлению заключается в том, чтобы загружать более активные материалы в одно и то же пространство. Бердычевский называет это «высасыванием воздуха из банки», но у него также есть свои риски. Современные батареи состоят из чрезвычайно тонких катодов Переменные слои электролитного и анодного материалов плотно интегрированы с сборщиками зарядов меди и алюминия, чтобы вывести электроны из батареи и в нужное место.
Во многих высококачественных батареях между катодом и анодом помещается пластиковая диафрагма для предотвращения контакта и короткого замыкания и толщиной всего 6 микрон (около 1/10 толщины человеческого волоса), что делает их восприимчивыми к раздавливанию повреждений. Вот почему видео безопасности авиакомпании теперь предупреждает, что если ваш телефон попадает в механизм, не пытайтесь настроить сиденье.
Каждое усовершенствование литиево-ионных батарей требует компромиссов. Увеличение плотности энергии снижает безопасность. Введение быстрой зарядки может сократить срок службы батареи, а это означает, что производительность батареи падает еще быстрее. Потенциал ионов лития приближается к Теоретические пределы. После прорыва Goodnow исследователи пытались найти следующий скачок, в том числе систематически изучая четыре основных компонента батареи - катод, анод, электролит и сепаратор - и используя его. Чем сложнее инструмент.
Клэр Грей учится в Оксфордском университете в Гольдхоне, изучая литиево-воздушные батареи, используя кислород в воздухе в качестве другого электрода. Теоретически эти батареи обеспечивают огромную энергию. Плотность, но пусть они надежно заряжаются и продолжаются более нескольких циклов, достаточно сложно в лаборатории, не говоря уже о грязном и непредсказуемом воздухе в реальном мире.
Хотя Грей утверждает, что недавно совершил прорыв, из-за вышеупомянутых проблем внимание исследовательского сообщества переключилось на литий-серные батареи. Оно обеспечивает более дешевую и более мощную альтернативу литиевым ионам, но ученые всегда пытаются ее остановить. Катоды, образовавшиеся на катоде, и сера на аноде растворяются из-за повторной зарядки. Sony утверждает, что решила эту проблему и надеется довести к 2020 году потребительскую электронику, содержащую литиево-серные батареи. ,
В Манчестерском университете, материаловед Xuqing Liu является одним из тех, кто пытается выжать больше энергии из углеродного анода. Он сочетает в себе двумерные материалы, похожие на графен, чтобы увеличить площадь поверхности и увеличить атом лития. Лю Ксуцин сравнивает его с количеством страниц, добавленных в книгу. Университет также инвестировал в строительство сухой лаборатории, что позволит исследователям безопасно и легко обменивать различные компоненты для тестирования различных электродов и электролитов. комбинации.
Невероятно, даже сам Гудхоу изучает этот вопрос. В прошлом году, в возрасте 94 лет, он опубликовал документ, описывающий батарею, в три раза превышающую емкость существующих литий-ионных батарей. Опрос. Исследователь сказал: «Если кто-то, кроме Гуднуэна, опубликовал эту статью, я, возможно, захочу жениться».
Однако, несмотря на публикацию тысяч бумаг, финансирование в миллиарды долларов и создание и финансирование десятков стартапов, основные химические функции большинства наших продуктов бытовой электроники практически не изменились с 1991 года. Что касается стоимости, производительности и мобильности потребительской электроники, заменить комбинацию оксида кобальта лития и углерода не на что. Батарея iPhone X почти идентична первой видеокамере Sony.
Поэтому в 2008 году Бердычевский покинул Теслу и начал фокусироваться на изучении новой химии батарей. Он особенно заинтересован в поиске альтернатив графитным анодам, которые, по его мнению, являются самым большим препятствием для создания лучших батарей. Бердычевский сказал: «Использование графита существует уже шесть или семь лет, и теперь оно в основном используется в термодинамической емкости батареи». В 2011 году он и бывший коллега Алекс Тесла Алекс Джейкобс, профессор материаловедения в Технологическом институте Джорджии, Глеб Юшин, соучредитель Sila Nanotechnologies, имеет открытый макет в офисе Bay Area в Аламеде с играми Atari. Именованный конференц-зал, промышленная лаборатория, заполненная печами и газопроводами.
Изучив все возможные решения, трое мужчин теоретически определили, что кремний является наиболее перспективным материалом. Им нужно только заставить технологию работать. Многие пытались это сделать, но все они закончились неудачей. Однако Берди Чевский и его коллеги с оптимизмом смотрят на их успех. Атом кремния может присоединить 4 иона лития, что означает, что кремниевый анод может хранить в 10 раз больше лития, чем графитовый анод подобного веса. Потенциал означает, что Национальная академия исследований интересуется материалами из кремниевого анода, а также стартапами, поддерживаемыми венчурными компаниями, такими как Amprius, Enovix и Envia.
Когда ион лития прилипает к аноду при зарядке аккумулятора, он слегка расширяется и затем снова сжимается во время использования. При повторных циклах заряда это расширение и сжатие разрушают слой интерфейса твердого электролита, который является защитой Вещество, образующее бляшку на поверхности анода, которое может вызвать побочные эффекты и потреблять часть лития в батарее. Бердычевский сказал: «Он попал в бесполезный мусор».
Со временем это связано с тем, что смартфоны начинают быстро терять энергию. Графитовые аноды расширяются и сокращаются примерно на 7%, поэтому он может завершить около 1000 циклов зарядки и разрядки до того, как производительность начнет резко падать. Это эквивалентно одному. Смартфон длится два года и заряжается каждый день, но поскольку частицы кремния могут поглощать столько лития, они набухают намного больше при зарядке (до 400%). Большинство кремниевых анодов происходит после нескольких циклов заряда. В течение более пяти лет в лаборатории Sila Nanotechnologies создали нанокомпозит для решения проблемы расширения.
Бердычевский объяснил, что если графитовый анод является «квартирой», то все «комнаты» имеют одинаковый размер и плотно упакованы вместе. После 30 000 итераций (разные столбцы и комбинации комнат) ), они образуют анод, где каждый слой имеет достаточное пространство для расширения атомов кремния при приобретении лития. Он сказал: «Мы задерживаем лишнее пространство внутри здания». Это решает проблему расширения при сохранении анода Внешние размеры и форма стабильны.
Бердычевский сказал, что первое поколение материалов, которые Sila Nanotechnologies предоставит производителям в следующем году, увеличит плотность энергии на 20% и в конечном итоге увеличится на 40%, а также повысит безопасность. Он сказал: «Кремний может сделать Вы далеки от края, вы можете освободить 1% или 2% пространства, чтобы действительно повысить вашу безопасность. «Самое главное, это также можно напрямую преобразовать в существующий дизайн. С азиатскими производителями аккумуляторов скремблирование Увеличивая мощность завода, чтобы подготовиться к прибытию эпохи электромобилей, Бердычевский считает, что любой продукт, который несовместим с текущими производственными процессами, может быть исключен. Он сказал: «Если нет технологии, которая теперь может заменить ионы лития Когда дело доходит до рынка, оно откроет бесчисленные группы пользователей ».
Когда аккумулятор полностью заряжен и разряжен, ионы лития танцуют между двумя электродами, иногда их трудно вернуть. И наоборот, особенно когда батарея заряжается слишком быстро, они накапливаются снаружи электрода, постепенно образуя дендритные ветви. Как, например, сталактиты в верхней части пещеры. В конце концов, эти, казалось бы, матовые дендриты на остеклении могут полностью простираться через электролит, проникать через диафрагму и создавать короткое замыкание, касаясь противоположного электрода.
По мере приближения расстояния между слоями риск увеличивается, и вероятность ошибки увеличивается. Как показал Samsung в прошлом году, ошибки могут нанести ущерб и стать дорогостоящим. Дефект вызвал внутреннее короткое замыкание в батарее мобильного телефона Galaxy Note 7. На некоторых устройствах анод и катод в конце концов вступили в контакт друг с другом, и это катастрофическое событие отзыва оценили, что Samsung потерял 3,4 млрд евро. Циммерман из ионных материалов объяснил : «Когда это произойдет, батарея станет очень горячей, и жидкий электролит убежит и в конечном итоге вызовет пожар и взрыв».
Поскольку эта ситуация очень опасна, на самом деле в литий-ионных батареях не так много лития, всего около двух процентов. Но если есть способ безопасно выпускать чистый металлический литий из металлической ячейки оксида кобальта, это похоже на Whitingham попытался увеличить плотность энергии в десять раз в 1970-х годах. Это называется «Святым Граалем» исследований батарей, и Циммерман, возможно, обнаружил его.
Он считает, что электролиты на самом деле являются самым большим препятствием для увеличения плотности энергии батарей. Люди постепенно прекращают использовать вещества, погруженные в жидкие электролиты, но вместо этого используют гели и полимеры, но они по-прежнему в целом легко воспламеняются и предотвращают быстрое Сам Циммерман признал, что не был «контролем батареи». Он специализировался в области материаловедения, особенно полимеров, и преподавал в Bell Labs и Университете Тафтса. Спустя годы я начал заниматься бизнесом.
В начале 21-го века Циммерман начал интересоваться перезаряжаемыми батареями. В то время некоторые люди пытались перейти от жидких электролитов к твердым электролитам. Старший ученый по хранению энергии Дональд Хайгейт объяснил: «В принципе, потому что Твердые электролитные батареи более безопасны, вы можете заставить его работать более интенсивно. В одном и том же приложении вы можете использовать более мелкие батареи. «Но они в основном являются керамическими или стеклянными изделиями, поэтому они очень хрупкие и трудные для массового производства».
Пластмассы использовались в ячейках в сепараторах, то есть в середине электролита, чтобы предотвратить контакт с электродами. Циммерман считает, что, если он найдет подходящий материал, он может отказаться от жидкого электролита и сепаратора и заменить его на Слоистый твердый пластик, этот слой пластика обладает огнестойкостью и предотвращает рост дендритов между двумя слоями. С помощью ионных материалов Циммерман создал полимер с новым механизмом проводимости, который имитирует То, как электроны проходят через металл, - это первый твердый полимер, который проводит ион лития при комнатной температуре. Материал является гибким, недорогим и может выдерживать множество испытаний.
В одном эксперименте они отправили сырье в лабораторию баллистики, где они обычно использовались для проверки пуленепробиваемых жилетов и стрельбы ими с 9-мм пулями. Два провода подключили аккумулятор (плоский серебряный мешок) к планшету Samsung. После того, как пуля попала, батарея взорвалась, как вулкан. В замедленном режиме из кратера можно было вытащить пластик и металл из латекса, но в нем не было взрыва. Никаких взрывов или пожаров. Устройство остается на каждом столкновении. Циммерман сказал: «Мы всегда думаем, что полимеры делают его более безопасным, мы никогда не ожидаем, что аккумулятор продолжит работать».
По словам Циммермана, этот полимер будет стимулировать развитие литиевого металла и ускорить принятие новых химикатов для аккумуляторов, таких как литий-серу или литий-воздух. Но долгосрочное будущее может быть не просто литием. Исследователь Лю Сюкинг из Манчестерского университета Сказал: «Это улучшение не может сравниться со скоростью улучшения производительности оборудования, нам нужна революция».
В огромном Гарвардском научном и инновационном парке в Оксфордшире, где Джон Гуденаф подписал соглашение об отказе от своего патента на прорыв в литиевом ионе, Стивен Воллер Уолкер - любезный поклонник Манчестер Сити, которому почти 50 лет. До того, как он присоединился к первому браузеру Netscape, он работал инженером-программистом в IBM. После того, как компания была приобретена AOL, Уоллер все больше разочаровывался в нехватке времени автономной работы ноутбука, поэтому решил принять некоторые меры.
Waller первая идея заключается в использовании водородных топливных элементов, чтобы продлить аккумулятор круиз время, но это оказалось летучестью портативные электронные продукты непреодолимые проблемы, он сказал: «Пусть водород через службу безопасности аэропорта достаточно сложно», то, знакомые Оксфордский университет, Waller слышал некоторые интересные исследования, в то числе быстрой зарядки свойств материала более как суперконденсатор., когда батарея для хранения энергии химически, но суперконденсатор может быть помещен в электрическом поле, так же, как на электростатической коллекции воздушных шаров.
Проблема с суперконденсаторами заключается в том, что они не хранят столько энергии, сколько батарея, и заряд быстро течет. Если вы не используете его часто, литий-ионные батареи могут длиться до 2 недель, в то время как суперконденсаторы могут работать только в течение нескольких часов. Многие в отрасли считают, что объединение суперконденсаторов с батареями может быть выгодно для смартфонов и других энергопотребляющих потребительских продуктов. Highgate говорит, что суперконденсаторы можно использовать для создания гибрида, который может быть полностью заряжен за две минуты. Телефон, но также может использоваться как запасная литий-ионная батарея. Он сказал: «Если вы можете зарядиться очень быстро, вы можете поместить его на индукционную катушку и зарядить, когда вы размешаете кофе».
Он настаивал на том, что он мог бы сделать лучше. В 2013 году он основал ZapGo, компания разрабатывает батареи на основе углерода, его скорость зарядки и суперконденсатор, как быстро, но время зарядки литий-ионного аккумулятора аналогично. Для ноября 2017 года сотрудники компании увеличились до 22 людей работали в лаборатории Харуэлл 卢瑟福德阿 Стэплтон и Шарлотт, Северная Каролина офиса. его первые потребительские батареи будут использоваться в конце года Представлены сторонние продукты, включая стартеры стартеров для автомобилей и электрические скутеры с временем зарядки, сокращенными с 8 часов до 5 минут.
Углеродное волокно, которое удерживает Уэллер в руке, это аккумулятор, в котором используется твердый электролит, который не загорается. Два электрода изготовлены из тонкослойного алюминия, покрытого наноструктурированным углеродом, для увеличения площади поверхности. Скажите: «Вы хотите, чтобы это было похоже на Гималаи». Несмотря на микроскоп, это больше похоже на план горизонта города. Ключом к технологии ZapGo является повышение эффективности и уменьшение утечки, в основном за счет обеспечения бесперебойной работы электролита Угол над горизонтом выше спичек, как липучка.
Самое большое преимущество аккумуляторов на основе углерода - долговечность. Поскольку аккумуляторная батарея ZapGo больше похожа на воздушный шар, чем на традиционную батарею. Как сказал Уоллер, «нет химической реакции», он утверждает, что новая батарея может выдерживать 100 000 циклов разрядки, то есть литий. В 100 раз больше, чем ионная батарея Даже если вы заряжаете свой телефон каждый день, вы можете использовать его в течение 30 лет. Текущая батарея третьего поколения ZapGo еще недостаточно мощна для работы смартфона, но используемые материалы не создают препятствия для увеличения напряжения, Waller Ожидается, что эта батарея будет введена в эксплуатацию в 2022 году, то есть «iPhone 15 спереди и сзади».
Это требует изменения в инфраструктуре зарядки. Многие из взрывов были обвинены в дешевых зарядных устройствах сторонних производителей, которые не имеют электроники, необходимой для прекращения взрыва. Для аккумуляторов ZapGo или любой системы на базе суперконденсатора вам требуется плата. Чтобы сделать что-то противоположное - возьмите и сохраните энергию из сетки, а затем отправьте ее на свой телефон за короткое время. В лаборатории команда Уоллера построила блок питания ноутбука, но Они прилагают все усилия, чтобы сделать его более компактным и эффективным.
Многие люди, в том числе Сэм Купер из Института дизайна и инженерии Дайсона, задались вопросом, действительно ли эти компании хотят внедрить аксессуар, который так долго длится в их продуктах. Купер сказал: «Компания мобильной связи Существует явный стимул к прибыли, который должен остановить старое оборудование вовремя для следующего выпуска. По этой причине конкуренция за разработку лучших батарей может вообще не существовать ». Валлер признает, что один из 30 патентов ZapGo Этот метод может искусственно сократить время автономной работы и не дать им продолжать работать в течение 30 лет. Он сказал: «Мы не будем этого делать, но если клиент захочет, у нас есть возможность предоставить их».
По сравнению с предшествующим уровнем техники технология накопления энергии на основе углерода имеет еще одно важное преимущество: ее можно фактически использовать как внешнюю структуру мобильных телефонов. Waller не разработал аккумулятор, подходящий для современного дизайна мобильных телефонов, но для гибких экранов и Подготовка к будущему складного оборудования. Под сетью 5G все наши данные поступают из облака, и время работы от батареи становится более важным.
Валлер шел по узкому коридору своего кабинета, идя в дневное солнце, сквозь тень источника алмазного света, огромное здание в форме кольца, похожее на космический корабль-инопланетянин, высадившийся в сельской местности Оксфордшира. Исследователи используют ускоренные пучки для изучения потенциальных материалов батареи в микроскопическом масштабе, изучая причины отказа литиево-серных аккумуляторов и поиск альтернативных материалов для получения анодов и катодов, которые наносили поле в течение почти 30 лет.
Уоллер взмахнул своим смартфоном в воздухе, сожалея о недостатках в литиево-ионных батареях, что побудило его и сотни других присоединиться к этой гонке с высоким риском, чтобы заново изобрести эти безупречные, но ошибочные Он сказал: «Мы все должны разработать стратегии для решения этой ситуации: будь то батарея с обратной связью или два мобильных телефона, это сумасшествие, все должно быть не так».
