Het is een paradox, maar ondanks het enorme pad dat elektronica de afgelopen 30 jaar heeft afgelegd, zijn alle mobiele apparaten nog steeds uitgerust met lithium-ionbatterijen, die al in 1991 op de markt kwamen, toen de gebruikelijke cd-speler het toppunt van techniek was in draagbare technologie.
Veel nuttige eigenschappen van nieuwe monsters in elektronica en gadgets worden genivelleerd door de geringe stroomtoevoer van deze apparaten vanaf een mobiele batterij. Wetenschappelijke zeep en uitvinders zouden al lang geleden naar voren zijn gekomen, maar ze worden vastgehouden door het "anker" van de batterij.
Laten we eens kijken welke technologieën de elektronische wereld in de toekomst kunnen transformeren.
Eerst een beetje geschiedenis
Meestal worden lithium-ionbatterijen (Li-ion) gebruikt in mobiele apparaten (laptops, mobiele telefoons, pda's en andere). Dit komt door hun voordelen ten opzichte van de voorheen veel gebruikte nikkel-metaalhydride (Ni-MH) en nikkel-cadmium (Ni-Cd) batterijen.
Li-ionbatterijen hebben veel betere parameters. Houd er echter rekening mee dat Ni-Cd-batterijen één belangrijk voordeel hebben: het vermogen om hoge ontlaadstromen te leveren. Deze eigenschap is niet van cruciaal belang bij het voeden van laptops of mobiele telefoons (waar het aandeel Li-ion 80% bereikt en hun aandeel steeds groter wordt), maar er zijn nogal wat apparaten die hoge stromen verbruiken, bijvoorbeeld allerlei elektrische gereedschappen, elektrische scheerapparaten, enz. P. Tot nu toe waren deze apparaten vrijwel uitsluitend het domein van Ni-Cd-batterijen. Op dit moment is, vooral in verband met de beperking van het gebruik van cadmium in overeenstemming met de RoHS-richtlijn, het onderzoek naar het creëren van cadmiumvrije batterijen met een hoge ontlaadstroom geïntensiveerd.
Promotie video:
Primaire cellen ("batterijen") met een lithiumanode verschenen in het begin van de jaren 70 van de 20e eeuw en vonden al snel toepassing vanwege hun hoge specifieke energie en andere voordelen. Zo werd de al lang bestaande wens om een chemische stroombron te creëren met het meest actieve reductiemiddel, een alkalimetaal, gerealiseerd, wat het mogelijk maakte om zowel de bedrijfsspanning van de batterij als zijn specifieke energie drastisch te verhogen. Als de ontwikkeling van primaire cellen met een lithiumanode met relatief snel succes werd bekroond en dergelijke cellen stevig hun plaats innamen als stroombronnen voor draagbare apparatuur, dan stuitte de creatie van lithiumbatterijen op fundamentele problemen, die meer dan 20 jaar duurden om te overwinnen.
Na veel testen in de jaren tachtig bleek dat het probleem van lithiumbatterijen rond lithiumelektroden zit. Om precies te zijn, rond de activiteit van lithium: de processen die tijdens de werking plaatsvonden, leidden uiteindelijk tot een heftige reactie, genaamd "ventilatie met de emissie van een vlam". In 1991 werd een groot aantal lithiumbatterijen teruggeroepen naar de fabrieken, die voor het eerst werden gebruikt als stroombron voor mobiele telefoons. De reden - tijdens een gesprek, wanneer het stroomverbruik maximaal is, kwam er een vlam uit de batterij die het gezicht van de gsm-gebruiker verbrandde.
Vanwege de instabiliteit die inherent is aan metallisch lithium, vooral tijdens het opladen, is er onderzoek gedaan naar het maken van een batterij zonder het gebruik van Li, maar met behulp van zijn ionen. Hoewel lithium-ionbatterijen een iets lagere energiedichtheid hebben dan lithiumbatterijen, zijn Li-ionbatterijen veilig als ze worden geleverd met de juiste laad- en ontlaadcondities. Ze zijn echter niet immuun voor explosies.
Ook in deze richting, terwijl alles zich probeert te ontwikkelen en niet stilstaat. Wetenschappers van de Nanyang Technological University (Singapore) hebben bijvoorbeeld een nieuw type lithium-ionbatterij ontwikkeld die recordbrekende prestaties levert. Ten eerste laadt het in 2 minuten op tot 70% van zijn maximale capaciteit. Ten tweede werkt de batterij al meer dan 20 jaar bijna zonder degradatie.
Wat kunnen we hierna verwachten?
Natrium
Volgens veel onderzoekers is het dit alkalimetaal dat het dure en zeldzame lithium zou moeten vervangen, dat bovendien chemisch actief en brandgevaarlijk is. Het werkingsprincipe van natriumbatterijen is vergelijkbaar met dat van lithium: ze gebruiken metaalionen om lading over te brengen.
Wetenschappers van verschillende laboratoria en instituten worstelen al jaren met de nadelen van natriumtechnologie, zoals langzaam laden en lage stromen. Sommigen van hen slaagden erin het probleem op te lossen. De preproductiemonsters van BroadBit-batterijen worden bijvoorbeeld in vijf minuten opgeladen en hebben anderhalf tot twee keer de capaciteit. Na het ontvangen van verschillende prijzen in Europa, zoals de Innovation Radar Prize, de Eureka Innovest Award en een aantal andere, stapte het bedrijf over naar certificering, fabrieksopbouw en het verkrijgen van patenten.
Grafeen
Grafeen is een vlak kristalrooster van koolstofatomen met een dikte van één atoom. Dankzij het enorme oppervlak in een compact volume, dat in staat is om lading op te slaan, is grafeen een ideale oplossing voor het maken van compacte supercondensatoren.
Er zijn al experimentele modellen met een capaciteit tot wel 10.000 Farads! Zo'n supercondensator is gemaakt door Sunvault Energy in samenwerking met Edison Power. De ontwikkelaars beweren dat ze in de toekomst een model zullen presenteren waarvan de energie voldoende zal zijn om het hele huis van stroom te voorzien.
Dergelijke supercondensatoren hebben veel voordelen: de mogelijkheid van bijna onmiddellijke lading, milieuvriendelijkheid, veiligheid, compactheid en ook lage kosten. Dankzij de nieuwe technologie voor het produceren van grafeen, vergelijkbaar met printen op een 3D-printer, belooft Sunvault de kosten van batterijen bijna tien keer lager dan die van lithium-ion-technologieën. De industriële productie is echter nog ver weg.
Sanvault heeft ook concurrenten. Een groep wetenschappers van de Universiteit van Swinburn, Australië, presenteerde ook een supercondensator van grafeen, die een capaciteit heeft die vergelijkbaar is met lithium-ionbatterijen. Het kan in een paar seconden worden opgeladen. Bovendien is het flexibel, waardoor het kan worden gebruikt in apparaten met verschillende vormfactoren en zelfs in slimme kleding.
Atoombatterijen
Nucleaire batterijen zijn nog steeds erg duur. In de nabije toekomst zullen ze niet kunnen concurreren met de vertrouwde lithium-ionbatterijen, maar we kunnen ze niet vergeten, want bronnen die al 50 jaar continu energie opwekken, zijn veel interessanter dan oplaadbare batterijen.
Hun werkingsprincipe is in zekere zin vergelijkbaar met de werking van zonnecellen, alleen in plaats van de zon zijn de energiebronnen daarin isotopen met bètastraling, die vervolgens wordt geabsorbeerd door halfgeleiderelementen.
In tegenstelling tot gammastraling is bètastraling praktisch onschadelijk. Het is een stroom geladen deeltjes en wordt gemakkelijk afgeschermd door dunne laagjes speciale materialen. Het wordt ook actief opgenomen door de lucht.
Tegenwoordig wordt de ontwikkeling van dergelijke batterijen in veel instituten uitgevoerd. In Rusland kondigden NUST MISIS, MIPT en NPO Luch hun gezamenlijke inspanningen in deze richting aan. Eerder werd een soortgelijk project gelanceerd door de Tomsk Polytechnic University. In beide projecten is de belangrijkste stof nikkel-63, verkregen door neutronenbestraling van de nikkel-62-isotoop in een kernreactor met verdere radiochemische verwerking en scheiding in gascentrifuges. Het eerste prototype van de batterij zou in 2017 klaar moeten zijn.
Deze bèta-voltaïsche voedingen hebben echter een laag vermogen en zijn extreem duur. In het geval van een Russische ontwikkeling kunnen de geschatte kosten van een miniatuurstroombron oplopen tot 4,5 miljoen roebel.
Atoomvoeding op basis van tritium NanoTritium van City Labs.
Nikkel-63 heeft ook concurrenten. De Universiteit van Missouri experimenteert bijvoorbeeld al heel lang met strontium-90, en miniatuurbèta-voltaïsche batterijen op basis van tritium zijn commercieel verkrijgbaar. Voor een prijs van rond de duizend dollar kunnen ze verschillende pacemakers, sensoren van stroom voorzien of de zelfontlading van lithium-ionbatterijen compenseren.
Lichtgevende sleutelhanger met tritium.
Experts zijn voorlopig kalm
Ondanks de aanpak van massaproductie van de eerste natriumbatterijen en actief werk aan grafeenvoedingen, voorspellen experts in de industrie geen revoluties voor de komende jaren.
Het bedrijf Liteko, dat opereert onder de vleugels van Rusnano en lithium-ionbatterijen produceert in Rusland, is van mening dat er nog geen redenen zijn voor een vertraging van de marktgroei. “De constante vraag naar lithium-ionbatterijen is voornamelijk te danken aan hun hoge specifieke energie (opgeslagen per eenheid massa of volume). Volgens deze parameter hebben ze momenteel geen concurrenten van de oplaadbare chemische energiebronnen die momenteel in serie worden geproduceerd”, aldus het bedrijf.
In het geval van commercieel succes van dezelfde BroadBit-natriumbatterijen, kan de markt binnen enkele jaren opnieuw formatteren. Tenzij de eigenaren en aandeelhouders veel geld willen verdienen aan de nieuwe technologie.
