Futurology 1.1: mindre batterier med högre kapacitet är närmare än någonsin tidigare

Tillbaka i början av året i vår Smartphone Futurology-serie diskuterade vi tekniken bakom batteriet i smartphones och vad som kommer att komma i framtiden. Den här artikeln är en snabb uppdatering av den delen och tittar på en del av den senaste utvecklingen inom batterier baserade på litiumkemi - som de som driver det stora flertalet smartphones.

Vi tittar närmare på vad som minskar telefonens batteritid över tid och hur högkapacitetsteknologier som litium svavelbatterier och litiummetallanoder är närmare än någonsin att bli praktiska. Följ med oss ​​efter pausen.

: De senaste genombrotten inom telefonbatterietekniken

Varför batteriets kapacitet minskar med tiden

Bildkredit: Gemensamt centrum för energilagringsforskning

En grupp under ledning av Joint Center for Energy Storage Research i USA lyckades samla bevis på processerna bakom försämring av litiumbatterier över tid . I min ursprungliga artikel nämnde jag den dendritiska (grenar som ett träd) tillväxten på litiummetallanoder över tid och minskade batterikapaciteten.

Litiummetallavsättning på Li-po-elektroden över tid

Kredit: Gemensamt centrum för energilagringsforskning

Teamet utvecklade en ny metod med STEM (skanning av transmissionselektronmikroskopi - en metod för att analysera otroligt små strukturer) för att observera dessa avlagringar i ett litiumpolymerbatteri över tid.

Anoden för ett litiumbatteri är det som bestämmer den totala kapaciteten, och dessa tillväxter stör hur effektivt anoden kan lagra litiumjoner och därmed minska batteriets kapacitet. Det har också visats att dessa dendritiska tillväxter av litiummetall kan vara farliga och orsaka inre fel som leder till att batteriet ballonerar, eller ännu värre, exploderar .

Med dessa banbrytande förmågor att observera sådana processer har teamet kunnat bestämma de faktorer som styr dessa tillväxter som hjälper forskare inom området att förbättra livslängden och säkerheten för kommersiella litiumbaserade batterier.

Förbättringar i litium-svavel

Bildkredit: University of California

Det har skett en dramatisk ökning i antalet publicerade artiklar om litium-svavelteknologi, och som tidigare förklarats betraktas tekniken som nästa iteration inom litiumbatterieteknologi som ersätter de allmänt antagna litiumpolymercellerna. För att sammanfatta:

Litium-svavel är en extremt attraktiv ersättning för nuvarande tekniker eftersom den är lika lätt att producera och har en högre laddningskapacitet. Ännu bättre är det inte kräver mycket flyktiga lösningsmedel som drastiskt minskar risken för brand från kortslutning och punktering.

Mer om litium-svavel och andra framtida batteriteknologier

Nyligen har en grupp från University of California löst ett av problemen kring litium-svavelkemi och publicerat en artikel om den förra månaden .

När problemen med Li-S-batteriernas livslängd löses rör sig tekniken vidare mot att bli en praktisk verklighet.

Under de kemiska reaktionerna som sker i laddnings- och urladdningsprocesserna bildas polysulfidkedjor. Dessa kedjor måste strömma genom elektrolyten intakt och det är här frågan ligger, polysulfiden kan ibland upplösas i lösningen och påverkar batteriets livslängd kraftigt.

Gruppen utvecklade en metod för att belägga dessa polysulfider till nanosfärer med användning av ett tunt lager kiseldioxid (väsentligen glas), vilket håller polysulfiden borta från elektrolyten medan den lätt kan röra sig genom den mellan elektroderna. Med frågor som dessa som kontinuerligt löses av många hårt arbetande forskningsgrupper, blir framtiden för litium-svavelbatterier i våra telefoner närmare varje dag.

Litiummetallanoder kommer att realiseras

Bildkredit : SolidEnergy Systems

Om du kommer ihåg från batterifuturologin artikeln, nämnde jag hur man kan använda litiummetall eftersom anoden är den "heliga gralen" av anodmaterial på grund av den extra kapacitet de ger.

SolidEnergy Systems Corp har visat upp sitt "anodlösa" litiumbatteri, som i huvudsak ersätter den normala grafiten och kompositanoderna med en tunn litiummetallanod. De hävdar att de fördubblar energitätheten jämfört med en grafitanod och 50% jämfört med en kiselkompositanod.

De senaste 'anodlösa' batterierna påstår att dubbla energitätheten för vad som finns i din telefon just nu.

Bilden ovan som SolidEnergy har publicerat hjälper till att visa den drastiska minskningen i storlek, även om jag borde nämna att den är något vilseledande. Både Xiaomi- och Samsung-batterierna är utformade för att kunna bytas ut, så det skulle ha ett extra plastskal och ytterligare elektronik såsom en laddningskrets eller till och med (i vissa Samsung-batterier) en NFC-antenn.

Med detta sagt kan du dock se den betydande storleksskillnaden mellan iPhone: s interna 1, 8 Ah-batteri och 2, 0 Ah SolidEnergy-batteripaketet i BBCs nyhetsrapport.

Vad det betyder

Med flera tillverkares flaggskeppstelefoner - inklusive Samsungs Galaxy S6 och Apples iPhone 6 - som skjuter mot tunnare design, blir behovet av tätare batterier ännu större. Att klämma mer batterikraft i ett mindre område öppnar också upp möjligheten att få flera dagars användning av större "phablet" -telefoner, samtidigt som du får mer juice för framtidens krafthunga processorer.

Vi ser på en framtid där det blir lättare än någonsin att undvika det fruktade döda smartphonebatteriet.

Och när det gäller litium-svavelbatterier, bör den minskade risken för brand från kortslutning eller punktering göra våra enheter säkrare att använda och mindre farliga (och kostsamma) för tillverkare att transportera.

Kombinera detta med de senaste framstegen mot snabbare laddning och tillväxten av trådlös laddning under de senaste åren, och vi ser på en framtid där det blir lättare än någonsin att undvika ett dött smarttelefonbatteri.

Så när ska vi börja se dessa nya tekniker bli tillgängliga? SolidEnergy uppskattar att dess "anodlösa" lösning kommer att träffa marknaden 2016 och vi tittar på en liknande tidsplan för Li-S-batterier också med tanke på den senaste utvecklingen kring denna teknik. Det är inte att säga att de kommer att levereras i faktiska mobila enheter under nästa år - ändå kan revolutionen i batteriteknologi som vi alla har väntat på inte vara långt borta.

Mer Futurology: Läs om framtiden för smarttelefontech

referenser

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, och ND Browning, Observation and Quantification of Nanoscale Processes in Litium Batteries by 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 och Y. Cui, sammankopplade ihåliga kolnanosfärer för stabila litiummetallanoder, Nat Nano, 2014. 9 (8): s. 618-623.
3. B. Campbell, J. Bell, H. Hosseini Bay, Z. Favours, R. Ionescu, CS Ozkan och M. Ozkan, SiO2-belagda svavelpartiklar med lätt reducerad grafenoxid som katodmaterial för litium-svavelbatterier, Nanoscale, 2015.
4. Y. Yang, G. Zheng och Y. Cui, Nanostrukturerade svavelkatoder, Chemical Society Reviews, 2013. 42 (7): p. 3018-3032.
5. W. Li, Q. Zhang, G. Zheng, ZW Seh, H. Yao och Y. Cui, förstå rollen för olika konduktiva polymerer för att förbättra den nanostrukturerade svavelkatodprestandan, Nano Letters, 2013. 13 (11): p. 5534-5540.