See on paradoks, kuid vaatamata tohutule teele, mille elektroonika on viimase 30 aasta jooksul teinud, on kõik mobiilseadmed endiselt liitiumioonakudega varustatud, mis sisenesid turule juba 1991. aastal, kui tavaline CD-mängija oli kaasaskantava tehnoloogia tipptasemel.
Elektroonika ja vidinate uute proovide paljusid kasulikke omadusi tasandab nende seadmete vähene toiteallika aeg mobiilsest akust. Teaduslik seep ja leiutajad oleksid juba ammu edasi astunud, kuid neid hoiab aku "ankur".
Vaatame, millised tehnoloogiad võivad tulevikus elektroonikumaailma muuta.
Esiteks väike ajalugu
Kõige sagedamini kasutatakse liitium-ioon (Li-ion) akusid mobiilseadmetes (sülearvutid, mobiiltelefonid, PDA-d ja muud). Selle põhjuseks on nende eelised varem laialdaselt kasutatud nikkel-metallhüdriid (Ni-MH) ja nikkel-kaadmium (Ni-Cd) akude ees.
Li-ioon akudel on palju paremad parameetrid. Siiski tuleb meeles pidada, et Ni-Cd akudel on üks oluline eelis: võime pakkuda suuri tühjendusvoolusid. See omadus pole kriitilise tähtsusega sülearvutite või mobiiltelefonide toiteks (kus Li-ioni osakaal ulatub 80% -ni ja nende osakaal kasvab üha enam), kuid on palju seadmeid, mis tarbivad suuri voolusid, näiteks igasuguseid elektrilisi tööriistu, elektripardlid jne. Lk. Siiani on need seadmed olnud peaaegu eranditult Ni-Cd akude pärusmaa. Kuid praegu, eriti seoses kaadmiumi kasutamise piiramisega vastavalt RoHS-direktiivile, on intensiivistunud uuringud suure tühjenemisvooluga kaadmiumivabade akude loomiseks.
Reklaamvideo:
Liitiumanoodiga primaarelemendid ("patareid") ilmusid 20. sajandi 70-ndate alguses ja leidsid oma kõrge erienergia ja muude eeliste tõttu kiiresti rakendust. Nii realiseerus pikaajaline soov luua kõige aktiivsema redutseerija, leelismetalli abil keemiline vooluallikas, mis võimaldas dramaatiliselt suurendada nii aku tööpinget kui ka selle erienergiat. Kui liitiumanoodiga primaarelementide väljatöötamine krooniti suhteliselt kiire eduga ja sellised rakud võtsid kindlalt oma koha kaasaskantavate seadmete jõuallikatena, siis liitiumpatareide loomine sattus fundamentaalsetesse raskustesse, mille ületamiseks kulus rohkem kui 20 aastat.
Pärast palju katsetamist kogu 1980ndate aastate jooksul selgus, et liitiumaku probleem on keerutatud liitium-elektroodide ümber. Täpsemalt, liitiumi tegevuse ümber: töö ajal toimunud protsessid viisid lõpuks vägivaldse reaktsioonini, mida nimetatakse "ventilatsiooniks leegi eraldumisega". 1991. aastal kutsuti tootmisettevõtetesse tagasi suur hulk liitiumakuid, mida kasutati esmakordselt mobiiltelefonide toiteallikana. Põhjus - vestluse ajal, kui voolutarve on maksimaalne, süttis akust leek, mis põletas mobiiltelefoni kasutaja nägu.
Metallilise liitiumile omase ebastabiilsuse tõttu, eriti laadimise ajal, on teadusuuringud siirdunud aku loomise valdkonda ilma Li, kuid selle ioone kasutamata. Ehkki liitium-ioonakud pakuvad pisut madalamat energiatihedust kui liitiumakud, on liitium-ioonakud õigete laadimis- ja tühjenemistingimuste korral ohutud. Kuid nad pole plahvatuste suhtes immuunsed.
Ka selles suunas, samal ajal kui kõik proovib areneda ja mitte paigal seista. Näiteks on Nanyangi tehnikaülikooli (Singapur) teadlased välja töötanud uut tüüpi liitiumioonaku, millel on rekordilised tulemused. Esiteks laadib see 2 minutiga 70% oma maksimaalsest mahust. Teiseks on aku töötanud enam kui 20 aastat peaaegu lagunemata.
Mida võime järgmisena oodata?
Naatrium
Paljude teadlaste sõnul peaks see leelismetall asendama kalli ja haruldase liitiumi, mis on pealegi keemiliselt aktiivne ja tuleohtlik. Naatriumpatareide tööpõhimõte sarnaneb liitiumiga - nad kasutavad laadimise ülekandmiseks metalliioone.
Aastaid on erinevate laborite ja instituutide teadlased võidelnud naatriumtehnoloogia puudustega, näiteks aeglase laadimise ja madala vooluga. Mõnel neist õnnestus probleem lahendada. Näiteks BroadBiti akude eeltoodangud laadivad laengud viie minutiga ja nende maht on poolteist kuni kaks korda suurem. Pärast mitmete auhindade saamist Euroopas, näiteks Innovatsiooni Radari auhind, Eureka Innovesti auhind ja mitmeid teisi, asus ettevõte edasi sertifitseerimise, tehase ehitamise ja patentide saamise poole.
Grafeen
Grafeen on ühe aatomi paksuste süsinikuaatomite tasane kristallvõre. Tänu tohutu kompaktse mahu pinnale, mis on võimeline laadima, on grafeen ideaalne lahendus kompaktsete superkondensaatorite loomiseks.
Juba on olemas eksperimentaalmudeleid mahutavusega kuni 10 000 faraati! Sellise superkondensaatori lõi Sunvault Energy koostöös Edison Poweriga. Arendajad väidavad, et tulevikus esitavad nad mudeli, mille energiast piisab kogu maja toiteks.
Sellistel superkondensaatoritel on palju eeliseid: peaaegu kohese laadimise võimalus, keskkonnasõbralikkus, ohutus, kompaktsus ja ka madalad kulud. Tänu uuele grafeeni tootmistehnoloogiale, mis sarnaneb 3D-printerile printimisega, lubab Sunvault akude maksumust peaaegu kümme korda vähem kui liitium-ioontehnoloogiaid. Tööstustoodang on siiski veel kaugel.
Sanvault on ka konkurente. Austraalia Swinburni ülikooli teadlaste rühm esitas ka grafeeni superkondensaatori, mille mahutavus on võrreldav liitium-ioon akudega. Seda saab laadida mõne sekundiga. Lisaks on see paindlik, mis võimaldab seda kasutada erineva kujuga seadmetes ja isegi nutiriietuses.
Aatompatareid
Tuumapatareid on endiselt väga kallid. Lähitulevikus ei saa nad konkureerida tuttavate liitium-ioon akudega, kuid me ei saa neid mainimata jätta, sest allikad, mis on 50 aastat pidevalt energiat tootnud, on palju huvitavamad kui laetavad akud.
Nende tööpõhimõte sarnaneb teatud mõttes päikesepatareide töötamisega, ainult päikese asemel on neis energiaallikaks beetakiirgusega isotoobid, mis seejärel absorbeeritakse pooljuhtide elementide poolt.
Erinevalt gammakiirgusest on beetakiirgus praktiliselt kahjutu. See on laetud osakeste voog ja on spetsiaalsete materjalide õhukeste kihtide abil kergesti varjestatav. Samuti imendub see aktiivselt õhku.
Täna toimub selliste patareide väljatöötamine paljudes instituutides. Venemaal teatasid NUST MISIS, MIPT ja MTÜ Luch oma ühisest tööst selles suunas. Varem käivitas sarnase projekti Tomski polütehniline ülikool. Mõlemas projektis on peamiseks aineks nikkel-63, mis saadakse nikkel-62 isotoobi neutronkiirgusega tuumareaktoris koos edasise radiokeemilise töötlemise ja eraldamisega gaasi tsentrifuugides. Aku esimene prototüüp peaks valmis saama 2017. aastal.
Need beetavoltilised toiteallikad on aga väikese energiatarbega ja äärmiselt kallid. Vene arengu korral võib miniatuurse energiaallika eeldatav maksumus olla kuni 4,5 miljonit rubla.
City Labsi triitiumil NanoTritium põhinev aatomienergiaallikas.
Nikkel-63-l on ka konkurente. Näiteks Missouri ülikool on juba pikka aega eksperimenteerinud strontsium-90-ga ning triitiumil põhinevaid miniatuurseid beeta-voltaatseid patareisid võib kaubanduslikult leida. Umbes tuhande dollari hinnaga suudavad nad toita mitmesuguseid südamestimulaatoreid, andureid või kompenseerida liitium-ioon akude isetühjenemist.
Helendav triitiumiga võtmehoidja.
Eksperdid on praegu rahulikud
Hoolimata lähenemisest esimeste naatriumpatareide masstootmisele ja aktiivsele tööle grafeenitoiteallikate alal, ei ennusta tööstuse eksperdid lähiaastateks mingeid pöördeid.
Rusnano tiiva all tegutsev ja Venemaal liitium-ioonakusid tootv ettevõte Liteko usub, et turu kasvu aeglustumisel pole veel ühtegi põhjust. “Liitium-ioon akude püsiv nõudlus tuleneb peamiselt nende kõrgest energiast (salvestatud massi- või ruumalaühiku kohta). Selle parameetri järgi pole neil järjestikku toodetavate laetavate keemiliste energiaallikate seas konkurente,”kommenteerib ettevõte.
Samasuguste BroadBiti naatriumpatareide ärilise edu korral saab turg mõne aasta pärast uuesti vormistada. Kui omanikud ja aktsionärid ei soovi uue tehnoloogiaga palju raha teenida.
