Onderweg toegang hebben tot internet is iets wat de meeste mensen tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen en de voordelen zijn enorm en worden steeds groter. Deze mobiele revolutie werd echter bij elke beurt belemmerd door één belangrijk probleem, batterijvermogen. Grote, heldere schermen, quad-coreprocessors, Bluetooth-connectiviteit en GPS-positionering zijn allemaal geweldig, maar ze verbruiken ook veel stroom.
Onze huidige apparaten lijken misschien indrukwekkend, maar met meer kracht zouden dingen radicaal kunnen veranderen. Stelt u zich eens voor dat u uw hoofd-pc altijd in uw zak draagt, een apparaat met de kracht van een laptop in de palm van uw hand; of mogelijk een terugkeer naar wanneer telefoons wekelijks moesten worden opgeladen in plaats van dagelijks. En het gaat ook niet alleen om telefoons, tablets en laptops, want betere batterijtechnologie kan een revolutie teweegbrengen in elektrische auto’s, met een groter bereik en minder opladen.
Wat we nodig hebben is simpel: efficiëntere batterijen. Om eerlijk te zijn, is dit al gebeurd. Als smartphones nog steeds nikkel-cadmium-batterijen hadden in plaats van het lithium-ion-equivalent, zouden we het hebben over een batterijduur van een paar uur, of ze zouden aanzienlijk zwaarder en omvangrijker zijn. Lithium-ionbatterijen hebben tot vijf keer de energiedichtheid van Ni-Cad en batterijen zijn qua gewicht de grootste afzonderlijke component in een telefoon.
Als dat je niet veel troost biedt, zul je blij zijn te horen dat wetenschappers nog lang niet klaar zijn met hun zoektocht naar de perfecte batterij. Hier kijken we naar nieuwe batterijtechnologieën die momenteel in ontwikkelingslaboratoria zijn, enkele krachtige equivalenten die al beschikbaar zijn, en enkele alternatieven die batterijen misschien zelfs overbodig maken.
verwondingen
In een notendop, een batterij is een apparaat dat elektriciteit opwekt uit een chemische reactie. Strikt genomen is wat we zojuist hebben beschreven een cel, terwijl een batterij een aantal cellen is, met elkaar verbonden in een enkel pakket, om een hogere spanning te leveren dan je zou krijgen van een enkele cel. Een AA-alkalinebatterij is bijvoorbeeld in feite één cel en levert 1,5 V, terwijl een PP3-batterij in feite een batterij is, aangezien deze zes in serie geschakelde 1,5 V-cellen bevat om 9 V te leveren. Ondanks dit alles zullen we uit eerbied voor het gewone gebruik blijven spreken over batterijen in de zin van batterijen of cellen.
Het eenvoudigste type batterij is een primaire batterij en het is het type dat niet kan worden opgeladen. Terwijl elektriciteit uit de batterij wordt gehaald, zet de chemische reactie de oorspronkelijke chemicaliën om in totaal andere chemicaliën. In een alkalinebatterij, het meest voorkomende type primaire batterij in draagbare elektronische apparatuur, reageert zink (Zn) met mangaandioxide (MnO2) om zinkoxide (ZnO) en een ander mangaanoxide (Mn2O3) te produceren. Als er geen zink of mangaandioxide meer is, is de batterij leeg en moet deze worden weggegooid.
In een secundaire batterij, die oplaadbaar is, vindt opnieuw een chemische reactie plaats omdat er elektriciteit wordt geproduceerd, en opnieuw, wanneer alle oorspronkelijke chemicaliën in iets anders zijn omgezet, wordt de batterij ontladen. Waar het verschilt van een primaire batterij is dat de chemische reactie omkeerbaar is. Om de reactie om te keren, wordt elektriciteit naar de batterij gevoerd in plaats van te worden afgevoerd, en dit oplaadproces zorgt ervoor dat de oorspronkelijke chemicaliën worden geregenereerd. De lithium-ionbatterij die in de meeste telefoons, laptops en tablets wordt aangetroffen, zet koolstof (C) en lithiumkobaltoxide (LiCoO2) om in lithiumcarbide (LiC6) en een ander lithiumkobaltoxide (LiCo2O4) terwijl er elektriciteit wordt geproduceerd. Tijdens het opladen vindt precies de tegenovergestelde reactie plaats.
Primaire batterijen lijken misschien verouderd in vergelijking met hun oplaadbare tegenhangers, maar ze zijn aanzienlijk goedkoper en bieden doorgaans een hogere energiedichtheid, dat wil zeggen de hoeveelheid elektrisch vermogen die kan worden geproduceerd voor een bepaald gewicht of volume van de batterij, dus ze blijven werken . om gebruikt te worden. Hoewel het ongemak van het niet kunnen opladen van een primaire batterij acceptabel is in zoiets als speelgoed dat af en toe wordt gebruikt, zou de verspilling van het constant weggooien van batterijen onaanvaardbaar zijn in mobiele elektronica. Daarom zal de rest van dit artikel zich volledig richten op herbruikbare stroombronnen.
lithium-ion gebrul
Het is waarschijnlijk onvermijdelijk dat de eerste batterijontwikkelingen die op ons pad komen, eerder als evolutionair dan als revolutionair zullen worden omschreven. Maar het is de moeite waard om deze geleidelijke veranderingen niet te negeren. Kijk tenslotte hoe ver LCD is gekomen van eenvoudige monoschermen tot monsterlijke 4K-tv’s, die incrementele veranderingen kunnen echt oplopen.
Neem Amprius, een startup uit Silicon Valley die de resultaten van onderzoek aan Stanford University commercialiseert. Uw nieuwe batterij is niet afhankelijk van een duur zeldzaam-aarde-element, verteert geen microben en laadt niet op in 30 seconden. In plaats daarvan vertrouwt het op lithium-iontechnologie die onze telefoons al een tijdje van stroom voorziet. Maar dankzij hun nieuwe draai aan technologie kunnen ze 25% extra vermogen in hetzelfde volume stoppen als een gewone cel, met verdere verbeteringen in de maak. Zelfs met de huidige Amprius-batterijen is dat twee uur extra per dag, en bovendien is dit geen hemelsbreed onderzoek. De batterij wordt al geproduceerd en wordt getest door fabrikanten, waaronder Nokia.
^ Lithium-ionbatterijen kunnen een grote sprong over NiCads vertegenwoordigen, maar er is nog zoveel meer aan de technologie
Dus wat is het geheim van het succes van Ampirus? Het is al lang bekend dat het gebruik van een siliciumanode in plaats van een koolstofanode in lithium-ionbatterijen een enorme prestatieverbetering kan opleveren. Dit komt omdat vier lithiumionen zich aan elk van de atomen in een siliciumanode zullen binden, vergeleken met slechts één voor elke zes koolstofatomen in de huidige grafietanodes.
Deze verbetering heeft echter een prijs. Omdat de siliciumanoden opzwellen en samentrekken terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen, worden ze snel vernietigd, zodat in plaats van de 500 keer de huidige batterijen kunnen worden opgeladen, slechts een paar cycli mogelijk zijn. Een team van wetenschappers onder leiding van Yi Cui van Stanford heeft echter ontdekt dat een dubbelwandige silicium nanostructuur net zo lang meegaat als de huidige batterijen en mogelijk de levensduur van de batterij kan verlengen tot meer dan 6.000 cycli.
Zoals professor Cui beschreef, wordt de nieuwe dubbelwandige silicium nanobuisanode vervaardigd met behulp van een slim proces in vier stappen: “Polymere nanovezels (groen in het diagram) worden gemaakt, vervolgens verwarmd … totdat ze zijn gereduceerd tot koolstof (zwart). ). Silicium (lichtblauw) is gecoat aan de buitenkant van de koolstofvezels. Uiteindelijk verdrijft verwarming in lucht de koolstof en creëert de buis, evenals de klemoxidelaag (rood).” Omdat siliciumoxide zo’n sterk keramisch materiaal is, verhindert de buitenste oxidelaag dat de buitenwand van de nanobuis uitzet, waardoor deze intact blijft.
^ Anodes gemaakt van dubbelwandige silicium nanobuisjes zorgen voor sterk verbeterde lithium-ioncellen (Afbeelding: Hui Wu, Stanford en Yi Cui)
Er komt echter nog meer aan, aangezien Yi Cui ook betrokken was bij het vroege werk aan een lithiumanode, die blijkbaar de best mogelijke prestaties zal leveren van een lithium-ionbatterij. “Van alle materialen die in een anode kunnen worden gebruikt, heeft lithium het meeste potentieel. Sommigen noemen het de Heilige Graal,” zei Yi Cui. “Het is erg licht en heeft de hoogste energiedichtheid. Je krijgt meer vermogen per volume en gewicht, wat leidt tot kleinere, lichtere batterijen met meer vermogen.”
Door voorbeelden te geven van hoe de nieuwe batterijtechnologie zou kunnen worden gebruikt, zei het team dat het de levensduur van de batterij zou kunnen verlengen en de kosten zou kunnen verlagen. De levensduur van de batterij van de telefoon zou kunnen verdubbelen of verdrievoudigen en elektrische auto’s met een bereik van 300 mijl zouden slechts $ 25.000 (£ 14.700) kunnen kosten.
