Es ist ein Paradoxon, aber trotz des enormen Weges, den die Elektronik in den letzten 30 Jahren eingeschlagen hat, sind alle Mobilgeräte immer noch mit Lithium-Ionen-Batterien ausgestattet, die bereits 1991 auf den Markt kamen, als der übliche CD-Player der Höhepunkt der Technik in der tragbaren Technologie war.
Viele nützliche Eigenschaften neuer Proben in Elektronik und Geräten werden durch die spärliche Zeit der Stromversorgung dieser Geräte über eine mobile Batterie ausgeglichen. Wissenschaftliche Seife und Erfinder wären längst vorgetreten, aber sie werden vom "Anker" der Batterie gehalten.
Werfen wir einen Blick darauf, welche Technologien die Elektronikwelt in Zukunft verändern können.
Zunächst ein wenig Geschichte
Am häufigsten werden Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) in Mobilgeräten (Laptops, Mobiltelefonen, PDAs und anderen) verwendet. Dies liegt an ihren Vorteilen gegenüber den bisher weit verbreiteten Nickel-Metallhydrid- (Ni-MH) und Nickel-Cadmium- (Ni-Cd) Batterien.
Li-Ionen-Batterien haben viel bessere Parameter. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass Ni-Cd-Batterien einen wichtigen Vorteil haben: die Fähigkeit, hohe Entladeströme bereitzustellen. Diese Eigenschaft ist bei der Stromversorgung von Laptops oder Mobiltelefonen (bei denen der Anteil von Li-Ionen 80% erreicht und deren Anteil immer größer wird) nicht von entscheidender Bedeutung. Es gibt jedoch einige Geräte, die hohe Ströme verbrauchen, z. B. alle Arten von Elektrowerkzeugen, Elektrorasierern usw. P. Bisher waren diese Geräte fast ausschließlich die Domäne von Ni-Cd-Batterien. Derzeit hat sich jedoch insbesondere im Zusammenhang mit der Einschränkung der Verwendung von Cadmium gemäß der RoHS-Richtlinie die Forschung zur Herstellung von cadmiumfreien Batterien mit hohem Entladestrom intensiviert.
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Primärzellen ("Batterien") mit einer Lithiumanode erschienen in den frühen 70er Jahren des 20. Jahrhunderts und fanden aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie und anderer Vorteile schnell Anwendung. So wurde der langjährige Wunsch verwirklicht, eine chemische Stromquelle mit dem aktivsten Reduktionsmittel, einem Alkalimetall, zu erzeugen, wodurch es möglich wurde, sowohl die Betriebsspannung der Batterie als auch ihre spezifische Energie dramatisch zu erhöhen. Wenn die Entwicklung von Primärzellen mit einer Lithiumanode mit relativ schnellem Erfolg gekrönt wurde und solche Zellen ihren festen Platz als Stromquelle für tragbare Geräte einnahmen, stieß die Herstellung von Lithiumbatterien auf grundlegende Schwierigkeiten, deren Überwindung mehr als 20 Jahre dauerte.
Nach vielen Tests in den 1980er Jahren stellte sich heraus, dass sich das Problem der Lithiumbatterien um Lithiumelektroden dreht. Genauer gesagt, um die Aktivität von Lithium herum: Die Prozesse, die während des Betriebs abliefen, führten letztendlich zu einer heftigen Reaktion, die als "Belüftung mit Emission einer Flamme" bezeichnet wurde. 1991 wurde eine große Anzahl von Lithiumbatterien in die Produktionsstätten zurückgerufen, die erstmals als Stromquelle für Mobiltelefone verwendet wurden. Der Grund - während eines Gesprächs, wenn der Stromverbrauch maximal ist, wurde eine Flamme von der Batterie abgegeben, die das Gesicht des Mobiltelefonbenutzers verbrannte.
Aufgrund der Instabilität von metallischem Lithium, insbesondere während des Ladens, hat sich die Forschung auf das Gebiet der Herstellung einer Batterie ohne Verwendung von Li, jedoch unter Verwendung ihrer Ionen verlagert. Obwohl Lithium-Ionen-Batterien eine etwas geringere Energiedichte als Lithium-Batterien bieten, sind Li-Ionen-Batterien sicher, wenn sie mit den richtigen Lade- und Entladebedingungen ausgestattet sind. Sie sind jedoch nicht immun gegen Explosionen.
Auch in diese Richtung, während sich alles zu entwickeln versucht und nicht stillsteht. Beispielsweise haben Wissenschaftler der Nanyang Technological University (Singapur) einen neuen Typ von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, der eine Rekordleistung aufweist. Erstens wird es in 2 Minuten auf 70% seiner maximalen Kapazität aufgeladen. Zweitens arbeitet die Batterie seit mehr als 20 Jahren nahezu ohne Verschlechterung.
Was können wir als nächstes erwarten?
Natrium
Vielen Forschern zufolge sollte dieses Alkalimetall teures und seltenes Lithium ersetzen, das darüber hinaus chemisch aktiv und feuergefährlich ist. Das Funktionsprinzip von Natriumbatterien ähnelt dem von Lithium - sie verwenden Metallionen, um Ladung zu übertragen.
Seit Jahren kämpfen Wissenschaftler aus verschiedenen Labors und Instituten mit den Nachteilen der Natriumtechnologie wie langsamer Aufladung und geringen Strömen. Einige von ihnen haben es geschafft, das Problem zu lösen. Beispielsweise werden die Vorproduktionsmuster von BroadBit-Batterien in fünf Minuten aufgeladen und haben die anderthalb- bis zweifache Kapazität. Nachdem das Unternehmen in Europa mehrere Auszeichnungen erhalten hatte, darunter den Innovationsradarpreis, den Eureka Innovest Award und eine Reihe anderer, wechselte es zur Zertifizierung, zum Fabrikbau und zur Erlangung von Patenten.
Graphen
Graphen ist ein flaches Kristallgitter aus Kohlenstoffatomen mit einer Dicke von einem Atom. Graphen ist aufgrund seiner großen Oberfläche in einem kompakten Volumen, das Ladung speichern kann, eine ideale Lösung für die Herstellung kompakter Superkondensatoren.
Es gibt bereits experimentelle Modelle mit einer Kapazität von bis zu 10.000 Farad! Ein solcher Superkondensator wurde von Sunvault Energy in Zusammenarbeit mit Edison Power entwickelt. Die Entwickler behaupten, dass sie in Zukunft ein Modell präsentieren werden, dessen Energie ausreicht, um das ganze Haus mit Strom zu versorgen.
Solche Superkondensatoren haben viele Vorteile: die Möglichkeit einer fast sofortigen Aufladung, Umweltfreundlichkeit, Sicherheit, Kompaktheit und auch niedrige Kosten. Dank der neuen Technologie zur Herstellung von Graphen, die dem Drucken auf einem 3D-Drucker ähnelt, verspricht Sunvault, dass die Kosten für Batterien fast zehnmal niedriger sind als für Lithium-Ionen-Technologien. Die industrielle Produktion ist jedoch noch weit entfernt.
Sanvault hat auch Konkurrenten. Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität von Swinburn, Australien, stellte ebenfalls einen Graphen-Superkondensator vor, dessen Kapazität mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist. Es kann in wenigen Sekunden aufgeladen werden. Darüber hinaus ist es flexibel, sodass es in Geräten mit verschiedenen Formfaktoren und sogar in intelligenten Kleidungsstücken verwendet werden kann.
Atombatterien
Kernbatterien sind immer noch sehr teuer. In naher Zukunft werden sie nicht mit den bekannten Lithium-Ionen-Batterien konkurrieren können, aber wir können sie nicht außer Acht lassen, da Quellen, die seit 50 Jahren kontinuierlich Energie erzeugen, viel interessanter sind als wiederaufladbare Batterien.
Ihr Funktionsprinzip ähnelt in gewissem Sinne dem Betrieb von Solarzellen, nur dass anstelle der Sonne die Energiequelle in ihnen Isotope mit Betastrahlung sind, die dann von Halbleiterelementen absorbiert werden.
Im Gegensatz zu Gammastrahlung ist Betastrahlung praktisch harmlos. Es ist ein Strom geladener Teilchen und kann leicht durch dünne Schichten spezieller Materialien abgeschirmt werden. Es wird auch aktiv von der Luft aufgenommen.
Die Entwicklung solcher Batterien wird heute in vielen Instituten durchgeführt. In Russland haben NUST MISIS, MIPT und NPO Luch ihre gemeinsame Arbeit in dieser Richtung angekündigt. Zuvor hatte die Polytechnische Universität Tomsk ein ähnliches Projekt gestartet. In beiden Projekten ist die Hauptsubstanz Nickel-63, das durch Neutronenbestrahlung des Nickel-62-Isotops in einem Kernreaktor mit weiterer radiochemischer Verarbeitung und Trennung in Gaszentrifugen erhalten wird. Der erste Prototyp der Batterie soll 2017 fertig sein.
Diese Beta-Voltaik-Netzteile sind jedoch stromsparend und extrem teuer. Im Falle einer russischen Entwicklung können die geschätzten Kosten einer Miniaturstromquelle bis zu 4,5 Millionen Rubel betragen.
Atomstromversorgung basierend auf Tritium NanoTritium von City Labs.
Nickel-63 hat auch Konkurrenten. Beispielsweise experimentiert die Universität von Missouri seit langer Zeit mit Strontium-90, und Miniatur-Beta-Voltaik-Batterien auf Tritiumbasis sind im Handel erhältlich. Mit einem Preis in der Größenordnung von tausend Dollar können sie verschiedene Herzschrittmacher und Sensoren mit Strom versorgen oder die Selbstentladung von Lithium-Ionen-Batterien kompensieren.
Leuchtender Schlüsselbund mit Tritium.
Experten sind vorerst ruhig
Trotz des Ansatzes zur Massenproduktion der ersten Natriumbatterien und der aktiven Arbeit an Graphen-Stromversorgungen sagen Branchenexperten für die nächsten Jahre keine Revolutionen voraus.
Das Unternehmen Liteko, das unter der Leitung von Rusnano operiert und in Russland Lithium-Ionen-Batterien herstellt, ist der Ansicht, dass es noch keine Gründe für eine Verlangsamung des Marktwachstums gibt. „Die stetige Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien beruht hauptsächlich auf ihrer hohen spezifischen Energie (gespeichert pro Massen- oder Volumeneinheit). Nach diesem Parameter haben sie derzeit keine Konkurrenten unter den wiederaufladbaren chemischen Energiequellen, die in Serie hergestellt werden “, kommentiert das Unternehmen.
Im Falle des kommerziellen Erfolgs derselben BroadBit-Natriumbatterien kann der Markt jedoch innerhalb weniger Jahre neu formatiert werden. Es sei denn, die Eigentümer und Aktionäre wollen mit der neuen Technologie viel Geld verdienen.
