Futurology 1.1: kleinere batterijen met een hogere capaciteit zijn dichterbij dan ooit tevoren

Terug in het begin van het jaar in onze Smartphone Futurology-serie hebben we de technologie achter de batterij in smartphones besproken en wat er in de toekomst gaat gebeuren. Dit artikel is een snelle update van dat stuk, waarin enkele recente ontwikkelingen op het gebied van batterijen op basis van Lithiumchemie worden bekeken, zoals die voor de overgrote meerderheid van smartphones.

We gaan dieper in op wat de levensduur van de batterij van je telefoon in de loop van de tijd verkort, en hoe technologieën met hoge capaciteit zoals lithiumzwavelbatterijen en lithiummetaalanoden dichter dan ooit praktisch worden. Doe mee na de pauze.

: De nieuwste doorbraken in batterijtechnologie voor telefoons

Waarom de capaciteit van uw batterij na verloop van tijd afneemt

Beeldtegoed: Gemeenschappelijk Centrum voor onderzoek naar energieopslag

Een groep onder leiding van het Joint Center for Energy Storage Research in de VS slaagde erin om bewijsmateriaal te verzamelen over de processen achter de achteruitgang van lithiumbatterijen in de loop van de tijd . In mijn oorspronkelijke artikel noemde ik de dendritische (vertakkend als een boom) gezwellen op lithiummetaalanoden die in de loop van de tijd de capaciteit van de batterij verminderen.

Lithiummetaalafzetting op Li-po-elektrode na verloop van tijd

Krediet: Gemeenschappelijk Centrum voor onderzoek naar energieopslag

Het team ontwikkelde een nieuwe methode met behulp van STEM (scanning transmissie elektronenmicroscopie - een methode voor het analyseren van ongelooflijk kleine structuren) om deze afzettingen in een lithium-polymeerbatterij na verloop van tijd te observeren.

De anode van een lithiumbatterij bepaalt de totale capaciteit en deze groei verstoort de efficiëntie van de anode om lithiumionen op te slaan en zo de capaciteit van de batterij te verminderen. Er is ook aangetoond dat deze dendritische gezwellen van lithiummetaal gevaarlijk kunnen zijn en interne storingen kunnen veroorzaken die leiden tot het ballonvaren, of erger nog, exploderen .

Met deze baanbrekende mogelijkheden om dergelijke processen te observeren, heeft het team de factoren kunnen bepalen die deze groei beïnvloeden, wat onderzoekers in het veld zal helpen de levensduur en veiligheid van commerciële lithiumbatterijen te verbeteren.

Verbeteringen in lithium-zwavel

Afbeelding tegoed: Universiteit van Californië

Er is een dramatische toename geweest van het aantal gepubliceerde artikelen over lithiumzwaveltechnologie, en zoals eerder uitgelegd, wordt de technologie gezien als de volgende iteratie in lithiumbatterijtechnologie, ter vervanging van de algemeen aanvaarde lithiumpolymeercellen. Samenvatten:

Lithium-zwavel is een uiterst aantrekkelijke vervanging voor huidige technologieën, omdat het net zo gemakkelijk te produceren is en een hogere laadcapaciteit heeft. Beter nog, het vereist geen zeer vluchtige oplosmiddelen die het risico op brand door kortsluiting en lekke banden drastisch verminderen.

Meer over lithium-zwavel en andere toekomstige batterijtechnologieën

Onlangs heeft een groep van de Universiteit van Californië een van de problemen rond lithium-zwavelchemie opgelost en heeft er vorige maand een paper over gepubliceerd .

Naarmate problemen met de levensduur van Li-S-batterijen worden opgelost, gaat de technologie verder in de richting van een praktische realiteit.

Tijdens de chemische reacties die optreden bij het laden en ontladen, worden polysulfideketens gevormd. Deze ketens moeten intact door de elektrolyt stromen en dit is waar het probleem ligt, het polysulfide kan soms oplossen in de oplossing en heeft een grote invloed op de levensduur van de batterij.

De groep ontwikkelde een methode om deze polysulfiden in nanosferen te coaten met behulp van een dunne laag siliciumdioxide (in wezen glas), die het polysulfide weghoudt van de elektrolyt terwijl het er gemakkelijk doorheen tussen de elektroden kan bewegen. Met problemen zoals deze die constant worden opgelost door tal van hardwerkende onderzoeksgroepen, komt de toekomst van lithium-zwavel-batterijen in onze telefoons elke dag dichterbij.

Lithiummetaalanodes komen tot bloei

Afbeelding tegoed: SolidEnergy Systems

Als je je het artikel uit de futurologie van de batterij herinnert, zei ik al dat het gebruik van lithiummetaal als anode de "heilige graal" van anodematerialen is vanwege de extra capaciteit die ze brengen.

SolidEnergy Systems Corp. heeft zijn "anodeless" lithiumbatterij laten zien, die in wezen de normale grafiet- en composietanodes vervangt door een dunne lithiummetaalanode. Ze beweren dat ze de energiedichtheid verdubbelen in vergelijking met een grafietanode en 50% in vergelijking met een siliciumcomposietanode.

De nieuwste 'anodeless' batterijen claimen de energiedichtheid te verdubbelen van wat er nu in je telefoon zit.

De bovenstaande afbeelding die SolidEnergy heeft gepubliceerd, helpt de drastische verkleining te tonen, hoewel ik moet vermelden dat het enigszins misleidend is. Zowel de Xiaomi- als Samsung-batterijen zijn ontworpen om te worden vervangen, dus hebben ze een extra plastic omhulsel en extra elektronica zoals een oplaadcircuit of zelfs (in sommige Samsung-batterijen) een NFC-antenne.

Dat gezegd hebbende, zie je het substantiële grootteverschil tussen de 1, 8 Ah interne batterij van de iPhone en het 2, 0 Ah SolidEnergy-batterijpakket in het BBC-nieuwsrapport.

Wat het allemaal betekent

Met de vlaggenschiptelefoons van verschillende fabrikanten - waaronder de Galaxy S6 van Samsung en de iPhone 6 van Apple - die op weg zijn naar dunnere ontwerpen, wordt de behoefte aan dichtere batterijen nog groter. Door meer batterijvermogen in een kleiner gebied te proppen, wordt ook de mogelijkheid geopend om meerdere dagen gebruik te maken van grotere handsets in "phablet" -stijl, terwijl meer stroom wordt geleverd aan de stroomverslindende processors van de toekomst.

We kijken naar een toekomst waarin het gemakkelijker dan ooit zal zijn om de gevreesde lege smartphone-batterij te vermijden.

En als het gaat om lithium-zwavel-batterijen, zou het verminderde risico op brand door kortsluiting of lekke band onze apparaten veiliger in gebruik moeten maken en minder gevaarlijk (en duur) voor fabrikanten om te transporteren.

Combineer dit met recente vooruitgang in de richting van sneller opladen en de groei van draadloos opladen in de afgelopen jaren, en we kijken naar een toekomst waarin het gemakkelijker dan ooit is om een ​​lege smartphonebatterij te voorkomen.

Dus wanneer zullen we beginnen deze nieuwe technologieën beschikbaar te zien komen? SolidEnergy schat dat zijn "anodeless" oplossing in 2016 op de markt zal komen, en we kijken ook naar een vergelijkbaar tijdschema voor Li-S-batterijen, gezien de recente ontwikkelingen rond deze technologie. Dat wil niet zeggen dat ze het komende jaar in echte mobiele apparaten zullen worden geleverd - niettemin kan de revolutie in batterijtechnologie waar we allemaal op hebben gewacht niet ver weg zijn.

Meer futurologie: lees meer over de toekomst van smartphonetechnologie

Referenties

1. BL Mehdi, J. Qian, E. Nasybulin, C. Park, DA Welch, R. Faller, H. Mehta, WA Henderson, W. Xu, CM Wang, JE Evans, J. Liu, JG Zhang, KT Mueller, en ND Browning, observatie en kwantificering van nanoschaalprocessen in lithiumbatterijen door Operando Electrochemical (S) TEM, Nano Letters, 2015. 15 (3): p. 2168-2173.
2. G. Zheng, SW Lee, Z. Liang, H.-W. Lee, K. Yan, H. Yao, H. Wang, W. Li, S. Chu en Y. Cui, onderling verbonden holle koolstofnanosferen voor stabiele lithiummetaalanoden, Nat Nano, 2014. 9 (8): p. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favors, R. Ionescu, CS Ozkan en M. Ozkan, SiO2-gecoate zwaveldeeltjes met licht gereduceerd grafeenoxide als kathodemateriaal voor lithium-zwavelbatterijen, Nanoschaal, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng en Y. Cui, nanogestructureerde zwavelkathoden, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): p. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao en Y. Cui, de rol van verschillende geleidende polymeren begrijpen bij het verbeteren van de nanogestructureerde zwavelkathode-prestaties, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.