Martin Abegglen / Flickr Rekordný dopyt po externých nabíjačkách je jedným z prejavov túžby po pomôckach, ktoré môžu trvať niekoľko dní bez uviazania, a po čom veľmi túži: v roku 2012 prieskum spoločnosti JD Power and Associates zistil, že výdrž batérie je vyššia ako u iných prispeli k nespokojnosti kupujúcich so smartphonmi. Je nepravdepodobné, že by sa to zmenilo dnes, keď priemerný smartphone dokáže prehliadať web iba asi 8 hodín, kým nezomrie ... na Wi-Fi.
Spočiatku sa zdá, že za to môžu výrobcovia smartfónov. Môžete predpokladať, že batérie, ktoré napájajú vlajkové lode od spoločností Samsung, LG, Motorola atď., Sú vybrané príslušnými inžiniermi. Pravda je však jemnejšia: lítium-iónové batérie takmer vo všetkých dnešných zariadeniach sa radikálne nezmenili, pretože vyšli pred 23 rokmi. Táto dlhá stagnácia prinútila spoločnosti pristúpiť ku kompromisu vo veľkosti smartphonu, výdrži batérie alebo v oboch. Buď zariadenie ako telefón, môže byť tenké, alebo môže získať slušnú výdrž batérie.
Ako sme sa teda presne dostali k tomuto bodu a kam smerujeme? Vylepšený dizajn batérií leží na obzore, ale dostanú sa niekedy na trh? Majú nejaké nové technológie batérií skutočnú šancu ukončiť našu závislosť od lítium-iónových akumulátorov a pomôžu ďalšie riešenia, aby boli súčasné batérie medzitým znesiteľné? Snažili sme sa to zistiť.
Ako fungujú batérie
Prvé nabíjateľné lítium-iónové batérie boli výbušné. Doslova. Spoločnosť Sony a chemická spoločnosť Asashi Kasei sa to ťažko naučili, keď v roku 1991 prvá komerčná lítiová batéria na báze kovov spálila prostredníctvom mobilného telefónu a spôsobila popáleniny na tvári človeka.
Lítium-iónové batérie takmer vo všetkých zariadeniach sa dnes radikálne nezmenili, pretože vyšli pred 23 rokmi.
To však nezabránilo tomu, aby sa lítium-iónové články stali dominantným zdrojom energie v prenosných zariadeniach. Dôvod? Sú oveľa energetickejšie než alternatívy, ale zároveň aj relatívne bezúdržbové. Na rozdiel od iných batérií nevyžadujú vybíjanie, nemajú pamäť, nevyskytujú sa u nich hromadné rozklady zabíjajúce bunky a obsahujú menej toxických kovov ako väčšina ostatných batérií. Lítium-iónové batérie sú, zjednodušene povedané, jednou z najuniverzálnejších sériovo vyrábaných batérií.
Sú však obmedzené inými spôsobmi, hlavne hustotou energie. Dôvod, ktorý v rozhovore pre CNET uviedol viceprezident pre marketing spoločnosti Leyden Energy Noam Kedem, je ten, že „[v] olumetrická hustota energie klesá, keď sa [lítium-iónové články] stenčujú, pretože obal zaberá vyššie percento objemu energie“. Čo to znamená pre priemerného spotrebiteľa? Ak chcete vynikajúcu výdrž batérie, budete musieť urobiť kompromis vo veľkosti.
Vezmime si tento príklad: Nokia Lumia 1520 vydrží na jedno nabitie až 107 hodín, ale má priemer 6,4 palca - veľkosť phabletu. Približne rovnako vydrží aj 6,34-palcový Huawei Ascend Mate2 4G. Jediným menším telefónom, ktorý sa drží v ríši gigantov, je Xperia Z3 Compact, ktorá v dobrý deň zvládne vyčkať 101 hodín. Dosiahnutie tohto úspechu si však vyžadovalo, aby sa dizajnéri spoločnosti Sony rozhodli pre displej s rozlíšením 720p, čo je v porovnaní so smartfónom cena 630 dolárov.
Sony Xperia Z3 Compact Skutočne sklamaním je, že ani tie veľké batérie nevydržia veľmi dlho. Spoločnosť Apple hodnotí batériu iPhonu na 80 percent kapacity na 50 nabíjaní, čo je za predpokladu, že telefón nabíjate raz za noc, zhruba rok a pol.
Okrem týchto obmedzení je tu aj otázka bezpečnosti. Lítium-iónové batérie súčasnosti nemusia byť také nebezpečné ako kovové konštrukcie z dávnych čias, ale tupá sila môže stále spôsobiť ich skrat, rozpad alebo uvoľnenie škodlivého plynu. Poruchy sú zriedkavé, ale výsledky môžu byť dramatické - prepichnutá batéria pred dvoma rokmi spôsobila, že Tesla Model S vzplanie a virálne video ilustruje, čo sa môže stať, keď kladivom zasiahnete batériu Samsung Galaxy S5.
Vzhľadom na nespočetné množstvo problémov nie je prekvapením, že medzi spotrebiteľmi i výrobcami zariadení existuje silná túžba po menších, hustejších a bezpečnejších alternatívach. Subjekt vyšetrovania na tomto fronte je sľubný, ale ukázalo sa, že trikom nemusí byť nevyhnutne výskum, ale prispôsobenie návrhov pre hromadnú výrobu. Zníženie nákladov spojených s výrobou a dosiahnutie efektívnosti sú často najťažšou časťou uvedenia nových batérií na trh.
Batérie budúcnosti prichádzajú pomaly
Prichádzajú lepšie batérie a niektoré vychádzajú z nápadov z minulosti. Vezmite si napríklad výskum zo Stanfordskej univerzity. Prvé konštrukcie lítiových batérií obsahovali lítiové anódy, anódy sa rýchlo ukázali ako neúčinné a nebezpečné, ale vedcom zo Stanfordu sa nedávno podarilo tieto problémy vyriešiť izoláciou lítia z elektrolytu špeciálnou ochrannou vrstvou uhlíkových nanostruktúr. Výsledkom je dvojnásobná, možno trojnásobná výdrž batérie.
Batérie vyrobené z piesku majú až trojnásobnú kapacitu a životnosť ako tradičné batérie.
Čistá lítiová batéria je predpokladaným nástupcom dnešných batérií - vedúci projektu v Stanforde Yi Cui tvrdí, že materiál má „najväčší“ potenciál zo všetkých materiálov, ktoré je možné použiť ako anódy. Produkcia je však na škodu: dizajn tímu Stanfordu ešte musí dosiahnuť potrebnú medznú hodnotu pre efektívnosť komercializácie (99,9%), a aj keď k nej dôjde, zložitosť výroby môže viesť k vysokej cene - niekde v rozmedzí 25 000 dolárov. pre batériu veľkosti vozidla, povedal pre Phys.org minister energetiky Steven Chu.
Preto sa vedci z Kalifornskej univerzity v Riverside zmenili na piesok. Zhromažďovali granule s vysokým percentom kremeňa, mleli ich soľou a horčíkom a nakoniec ich zahriali, aby odstránili kyslík a extrahovali čistý kremík. Výsledný materiál má až trojnásobnú kapacitu a životnosť ako tradičné batérie.
Batérie z piesku však zatiaľ nie sú možné ani pre telefóny v našich vreckách. Vedci ešte musia nájsť spôsob výroby kremičitého piesku v rozsahu; najväčšia batéria, ktorú doteraz vyrobili, je veľkosť malej mince.
Kang Shin a Xinyu Zhang Bariéra pre nový dizajn je na trhu taká veľká, že spoločnosti zaoberajúce sa výrobou zariadení ako Apple, Google a Dyson začali priamo s firmami zaoberajúcimi sa batériami pracovať na urýchlení vývoja. Ale keďže neexistujú nijaké významné objavy, výrobcovia hardvéru a softvéru vyvinuli vlastné riešenia, ktoré by vyhoveli našej intenzívnej túžbe po inteligentnejších telefónoch, tabletoch, elektrických automobiloch a notebookoch s dlhšou životnosťou.
Jednou z príčin rýchleho vybitia batérie je Wi-Fi - moderné telefóny neustále monitorujú bezdrôtový prenos v okolí, vynakladajú veľa energie na skúmanie paketov a hľadanie čistých kanálov v prostrediach plných rušivých signálov. Profesor Kang Shin z University of Michigan a doktorand Xinyu Zhang prišli s riešením, ktoré nazývajú Energy-Minimizing Idle Listening (E-MiLi).
E-MiLi šetrí energiu spomalením interného bezdrôtového čipu, zatiaľ čo sa Wi-Fi nepoužíva, čo podľa Shin a Zhang vedie k priemernej úspore energie asi 44 percent. E-MiLi je navyše kompatibilný s 92 percentami mobilných zariadení. Ale ako vždy je tu háčik: spolieha sa na fungovanie bezdrôtových smerovačov so špeciálnym firmvérom.
Bohaté Shibley / digitálne trendy
Ďalšou myšlienkou, s ktorou sa vedci zaoberajú, je rýchle nabíjanie. Toto je zastrešujúci pojem, ktorý zahŕňa všetko od optimalizovaného softvéru po vylepšené kondenzátory, ale koncept je jednoduchý: napájacie adaptéry s veľmi, veľmi krátkymi nabíjacími cyklami. V polovici roku 2013 predviedol 18-ročný študent na veľtrhu vedy a techniky Intel superkondenzátor schopný nabiť batériu smartfónu za 30 sekúnd. Reproduktor Blueshift Bamboo, ktorý funguje na podobnom princípe, sa dokáže nabiť za pár minút a vydrží šesť hodín.
Niektoré doplnkové nabíjačky sú oveľa bláznivejšie. Luxusný smartphone vyrobený spoločnosťou Tag Heuer má fotovoltaické vrstvy, ktoré dobíjajú jeho batériu zo slnečného žiarenia. Vedci z UC San Diego vytvorili dočasné „tetovanie na batériu“, ktoré je nabité potom. A vedci z Nokie a z Queen Mary University v Londýne v súčasnosti pracujú na „nanogenerátoroch“ určených na výrobu elektriny zo zvukov, ako sú ľudské hlasy, prevádzka a hudba.
Niektoré vylepšenia batérie sa už dejú
Pretože nové modely batérií pokračujú vo svojej neúprosnej, ale letargickej ceste k komercializácii, elektronické a softvérové spoločnosti sa nachádzajú v takmer rovnakej pozícii ako za posledných 23 rokov: musia obísť obmedzenia zastaranej technológie. Niektoré boli pri liečbe symptómov úspešnejšie ako iné - spoločnosť LG implementovala napríklad vrstvený lítiovo-iónový dizajn v G2, ktorý tvrdil, že zvyšuje kapacitu o 16 percent - ale pokiaľ nebudú vyriešené príčiny nízkej kapacity a zlej životnosti, veľa sa toho nezmení.
Nešťastnou realitou je, že s výnimkou externých nabíjačiek a batérií tretích strán skutočne existuje nie je zatiaľ dobrá alternatíva k lítium-iónovým batériám; väčšina výskumov zostáva vo fáze prototypov, dočasné a trh s náhradnými dielmi nie sú také praktické - váš ďalší smartphone pravdepodobne nebude mať solárny panel, energeticky úsporný softvér Wi-Fi alebo nanogenerátory.
Pokiaľ ide o lítium-iónové ťažkosti v priemysle batérií, v súčasnosti neexistuje žiadna strieborná guľka, ale videli sme niekoľko prielomov z inštitúcií, ako je Nangyang Technological University, kde vedci vyvinuli rýchlo nabíjajúcu anódu oxidu titaničitého. Urýchľuje sa aj vývoj alternatív. V apríli vedci z NASA licencovali technológiu, ktorá dokáže prevádzať teplo z výfukov automobilov na využiteľnú elektrinu, a vedci z japonskej spoločnosti Fuji Pigment podnikli kroky na komercializáciu technológie hliník-vzduch, batérií s teoretickou kapacitou 40-krát väčšou ako lítium-iónová .
Dajte tomu ešte pár rokov
Iste, lítium-iónové batérie majú svoje výhody: sú lacné, ľahko sa vyrábajú a sú pomerne stabilné. Ale sú tiež obrovské a nevydržia dlho. Nie je prekvapením, že existuje hlad po alternatívach, a hoci zatiaľ žiadne nie sú, je dôvod dúfať. „Lítium-iónový problém“ sa zaoberá viac vedcov ako kedykoľvek predtým. Aj niektoré alternatívne dizajny batérií sa blížia k komercializácii. A niekoľko z polovičných opatrení nie je zatiaľ polovičných - Qualcomm QuickCharge, takzvaná technológia rýchleho nabíjania zabudovaná do niektorých smartfónov, nabíjanie dramaticky urýchľuje.
Je pravda, že umieračik lítium-iónových zbraní ešte celkom neprišiel, ale je bližšie, ako nikdy predtým. Nie je nerozumné predpokladať, že za päť alebo menej rokov sa budú smartphony, ktoré na jedno nabitie vydržia menej ako pár dní, javiť ako pozitívne (nie zamýšľané na slovné spojenie) prehistorické.
