Η ζήτηση Martin Abegglen / Flickr Record για εξωτερικούς φορτιστές είναι μια εκδήλωση της επιθυμίας για gadget που μπορεί να διαρκέσει για μέρες χωρίς δέσμευση και πόσο έντονη επιθυμία είναι: το 2012, μια έρευνα της JD Power and Associates διαπίστωσε ότι η διάρκεια ζωής της μπαταρίας, περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη χαρακτηριστικό, συνέβαλε στη δυσαρέσκεια μεταξύ των αγοραστών smartphone. Αυτό είναι απίθανο να έχει αλλάξει σήμερα, όταν το μέσο smartphone μπορεί να περιηγηθεί στον Ιστό μόνο για περίπου 8 ώρες πριν πεθάνει… σε Wi-Fi.
Στην αρχή, φαίνεται ότι φταίνε οι κατασκευαστές smartphone. Μπορεί να υποθέσετε ότι οι μπαταρίες που τροφοδοτούν τις ναυαρχίδες της Samsung, LG, Motorola κ.λπ. επιλέγονται από τους αντίστοιχους μηχανικούς. Η αλήθεια, ωστόσο, είναι πιο αποχρωματισμένη: οι μπαταρίες ιόντων λιθίου σε όλες σχεδόν τις συσκευές σήμερα δεν έχουν αλλάξει ριζικά από τότε που βγήκαν πριν από 23 χρόνια. Αυτή η μακρά στασιμότητα ανάγκασε τις εταιρείες να συμβιβαστούν στο μέγεθος του smartphone, τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας ή και τα δύο. Είτε μια συσκευή όπως ένα τηλέφωνο μπορεί να είναι λεπτή ή μπορεί να έχει αξιοπρεπή διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Λοιπόν, πώς φτάσαμε σε αυτό το σημείο, ακριβώς, και πού πηγαίνουμε; Τα βελτιωμένα σχέδια μπαταριών βρίσκονται στον ορίζοντα, αλλά θα φτάσουν ποτέ στην αγορά; Μήπως οι νέες τεχνολογίες μπαταριών έχουν πραγματική πιθανότητα να τερματίσουν την εξάρτησή μας από το ιόν λιθίου και θα βοηθήσουν άλλες λύσεις να καταστήσουν τις σημερινές μπαταρίες ανεκτές στο μεταξύ; Προσπαθήσαμε να μάθουμε.
Πώς λειτουργούν οι μπαταρίες
Οι πρώτες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου ήταν εκρηκτικές. Κυριολεκτικά. Η Sony και η χημική εταιρεία Asashi Kasei το έμαθαν με τον σκληρό τρόπο όταν, το 1991, η πρώτη εμπορική μεταλλική μπαταρία λιθίου με βάση τις εταιρείες έκαψε ένα κινητό τηλέφωνο και προκάλεσε εγκαύματα στο πρόσωπο ενός άνδρα.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου σε όλες σχεδόν τις συσκευές σήμερα δεν έχουν αλλάξει ριζικά από τότε που βγήκαν πριν από 23 χρόνια.
Αυτό δεν εμπόδισε τα κύτταρα ιόντων λιθίου να γίνουν η κυρίαρχη πηγή ισχύος σε φορητές συσκευές. Ο λόγος? Είναι πολύ περισσότερη ενέργεια από τις εναλλακτικές λύσεις, για μία, αλλά και σχετικά χωρίς συντήρηση. Σε αντίθεση με άλλες μπαταρίες, δεν απαιτούν εκφόρτιση, δεν έχουν μνήμη, δεν παρουσιάζουν συσσώρευση θειικής θανάτωσης κυττάρων και περιέχουν λιγότερα τοξικά μέταλλα από τις περισσότερες άλλες μπαταρίες. Με απλά λόγια, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι μια από τις πιο ευέλικτες μπαταρίες μαζικής παραγωγής.
Αλλά περιορίζονται με άλλους τρόπους, κυρίως ενεργειακή πυκνότητα. Ο λόγος, δήλωσε ο αντιπρόεδρος μάρκετινγκ της Leyden Energy Noam Kedem στο CNET σε συνέντευξή του, διότι «η ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα μειώνεται καθώς τα [κύτταρα ιόντων λιθίου] γίνονται λεπτότερα επειδή η συσκευασία καταλαμβάνει υψηλότερο ποσοστό όγκου ενέργειας». Τι σημαίνει αυτό για τον μέσο καταναλωτή; Εάν θέλετε μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, θα πρέπει να συμβιβαστείτε στο μέγεθος.
Ακολουθήστε αυτό το παράδειγμα: το Nokia Lumia 1520 μπορεί να διαρκέσει έως και 107 ώρες με μια φόρτιση, αλλά έχει διαστάσεις 6,4 ίντσες - το μέγεθος ενός phablet. Το 6,34 ιντσών Huawei Ascend Mate2 4G διαρκεί περίπου το ίδιο. Το μόνο μικρότερο τηλέφωνο που έχει τη δική του σφαίρα των γιγάντων είναι το Xperia Z3 Compact, το οποίο καταφέρνει να βγάλει 101 ώρες σε μια καλή μέρα. Όμως, για να επιτευχθεί αυτό το απαιτούμενο, οι σχεδιαστές της Sony επέλεξαν μια οθόνη 720p, μια εξαιρετική προδιαγραφή για ένα smartphone με τιμή 630 $.
Sony Xperia Z3 Compact Το πραγματικά απογοητευτικό μέρος είναι ότι ακόμη και αυτές οι μεγάλες μπαταρίες δεν θα διαρκέσουν πολύ. Η Apple βαθμολογεί την μπαταρία του iPhone στο 80 τοις εκατό της χωρητικότητας για 50 χρεώσεις, η οποία, υποθέτοντας ότι φορτίζετε το τηλέφωνό σας μία φορά τη νύχτα, είναι περίπου ενάμιση χρόνο.
Πέρα από αυτούς τους περιορισμούς, υπάρχει το ζήτημα της ασφάλειας. Οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορεί να μην είναι τόσο επικίνδυνες όσο οι μεταλλικές κατασκευές του παρελθόντος χρόνου, αλλά η αμβλύ δύναμη μπορεί ακόμα να τους προκαλέσει βραχυκύκλωμα, αποσύνθεση ή απελευθέρωση επιβλαβούς αερίου. Οι αποτυχίες είναι σπάνιες, αλλά τα αποτελέσματα μπορεί να είναι δραματικά - μια τρυπημένη μπαταρία πριν από δύο χρόνια προκάλεσε ένα Tesla Model S να ξεσπάσει στις φλόγες και ένα ιικό βίντεο δείχνει τι μπορεί να συμβεί όταν χτυπήσετε μια μπαταρία Samsung Galaxy S5 με ένα σφυρί.
Δεδομένων των μυριάδων προβλημάτων, δεν αποτελεί έκπληξη ότι υπάρχει μεγάλη επιθυμία τόσο για τους καταναλωτές όσο και για τους κατασκευαστές συσκευών για μικρότερες, πιο πυκνές και ασφαλέστερες εναλλακτικές. Το σώμα της έρευνας σε αυτό το μέτωπο είναι πολλά υποσχόμενο, αλλά το κόλπο, αποδεικνύεται, δεν είναι απαραίτητα η έρευνα, αλλά η προσαρμογή σχεδίων για μαζική παραγωγή. Η μείωση του κόστους που σχετίζεται με την κατασκευή και η επίτευξη αποδοτικότητας είναι συχνά το πιο δύσκολο μέρος της διάθεσης νέων μπαταριών στην αγορά.
Οι μπαταρίες του μέλλοντος έρχονται αργά
Υπάρχουν καλύτερες μπαταρίες που έρχονται και μερικές προέρχονται από ιδέες στο παρελθόν. Πάρτε την έρευνα από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, για παράδειγμα. Τα πρώτα σχέδια μπαταριών λιθίου περιείχαν ανόδους λιθίου, οι άνοδοι γρήγορα βρέθηκαν αναποτελεσματικές και μη ασφαλείς, αλλά οι επιστήμονες στο Στάνφορντ κατάφεραν πρόσφατα να λύσουν αυτά τα προβλήματα απομονώνοντας το λίθιο από τον ηλεκτρολύτη με ένα ειδικό, προστατευτικό στρώμα νανοδομών άνθρακα. Το αποτέλεσμα είναι ο διπλασιασμός, ίσως τριπλασιασμός της διάρκειας ζωής της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες από άμμο έχουν έως και 3 φορές τη χωρητικότητα και τη διάρκεια ζωής των παραδοσιακών μπαταριών.
Μια καθαρή μπαταρία λιθίου είναι ο υποτιθέμενος διάδοχος των σημερινών μπαταριών - πρωτοπόρος μηχανικής στο έργο Stanford, ο Yi Cui λέει ότι το υλικό έχει το «μεγαλύτερο» δυναμικό όλων των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως άνοδοι. Όμως η παραγωγή είναι το πλεονέκτημα: ο σχεδιασμός της ομάδας του Στάνφορντ δεν έχει φτάσει ακόμη στο απαιτούμενο όριο της βιομηχανίας για αποδοτικότητα (99,9 τοις εκατό) για εμπορευματοποίηση, και ακόμη και όταν το κάνει, η πολυπλοκότητα της κατασκευής θα μπορούσε να οδηγήσει σε υψηλή τιμή - κάπου στην περιοχή των 25.000 $ για μπαταρία μεγέθους οχήματος, δήλωσε ο υπουργός Ενέργειας Steven Chu στο Phys.org.
Γι 'αυτό οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Riverside στράφηκαν στην άμμο. Συλλέγουν κόκκους με υψηλό ποσοστό χαλαζία, αλέθονται με αλάτι και μαγνήσιο και τελικά θερμαίνονται για να απομακρυνθεί το οξυγόνο και να εξαχθεί καθαρό πυρίτιο. Το τελικό υλικό έχει έως και τρεις φορές τη χωρητικότητα και τη διάρκεια ζωής των παραδοσιακών μπαταριών.
Ωστόσο, οι μπαταρίες από άμμο δεν είναι εφικτές για τις συσκευές στις τσέπες μας. Οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη ανακαλύψει μια μέθοδο παραγωγής άμμου πυριτίου σε κλίμακα. η μεγαλύτερη μπαταρία που έχουν παραχθεί μέχρι σήμερα είναι το μέγεθος ενός μικρού νομίσματος.
Ο Kang Shin και ο Xinyu Zhang Το εμπόδιο στην αγορά νέων σχεδίων είναι τόσο σοβαρό που εταιρείες συσκευών όπως η Apple, η Google και η Dyson έχουν αρχίσει να συνεργάζονται απευθείας με εταιρείες μπαταριών για να επιταχύνουν την ανάπτυξη. Ωστόσο, ελλείψει σημαντικών ανακαλύψεων, οι κατασκευαστές υλικού και λογισμικού έχουν αναπτύξει δικές τους λύσεις για την αντιμετώπιση της έντονης επιθυμίας μας για smartphone, tablet, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και φορητούς υπολογιστές μεγαλύτερης διάρκειας.
Μία από τις αιτίες της ταχείας εξάντλησης της μπαταρίας είναι το Wi-Fi - τα σύγχρονα ακουστικά παρακολουθούν συνεχώς την κοντινή ασύρματη κυκλοφορία, ξοδεύοντας πολλή ενέργεια που εξετάζει πακέτα και αναζητά καθαρά κανάλια σε περιβάλλοντα γεμάτα από παρεμβολικά σήματα. Ο καθηγητής επιστήμης και εφαρμοσμένης μηχανικής του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, Kang Shin και φοιτητής διδακτορικών, Xinyu Zhang, βρήκαν μια λύση, την οποία ονομάζουν Energy-Minimizing Idle Listening (E-MiLi).
Το E-MiLi εξοικονομεί ενέργεια επιβραδύνοντας το εσωτερικό ασύρματο τσιπ ενώ το Wi-Fi δεν χρησιμοποιείται, κάτι που λένε οι Shin και Zhang με αποτέλεσμα τη μέση εξοικονόμηση ενέργειας περίπου 44%. Επιπλέον, το E-MiLi είναι συμβατό με το 92% των κινητών συσκευών. Ωστόσο, υπάρχει μια παγίδα, όπως πάντα: βασίζεται σε ασύρματους δρομολογητές με ειδικό υλικολογισμικό για να λειτουργεί.
Πλούσιο Shibley / Digital Trends
Μια άλλη ιδέα που εξετάζουν οι ερευνητές είναι η γρήγορη φόρτιση. Αυτός είναι ένας όρος ομπρέλας που καλύπτει τα πάντα, από βελτιστοποιημένο λογισμικό έως ενισχυμένους πυκνωτές, αλλά η ιδέα είναι απλή: προσαρμογείς ισχύος με πολύ, πολύ μικρούς κύκλους φόρτισης. Στα μέσα του 2013, ένας 18χρονος μαθητής παρουσίασε έναν υπερσυμπιεστή στην Έκθεση Επιστήμης και Μηχανικής της Intel ικανή να φορτίσει μια μπαταρία smartphone σε 30 δευτερόλεπτα. Το ηχείο Blueshift Bamboo, το οποίο λειτουργεί με παρόμοια αρχή, μπορεί να φορτιστεί σε λίγα λεπτά και να διαρκέσει για έξι ώρες.
Ορισμένοι συμπληρωματικοί φορτιστές είναι πολύ πιο τρελοί. Ένα πολυτελές smartphone κατασκευασμένο από την Tag Heuer διαθέτει φωτοβολταϊκά στρώματα που επαναφορτίζουν την μπαταρία του από το φως του ήλιου. Οι ερευνητές στο UC San Diego δημιούργησαν ένα προσωρινό "τατουάζ μπαταρίας" που φορτίζεται από ιδρώτα. Και οι επιστήμονες στη Nokia και στο Πανεπιστήμιο Queen Mary του Λονδίνου εργάζονται επί του παρόντος σε «νανογεννήτριες» που έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν ηλεκτρισμό από ήχους όπως ανθρώπινες φωνές, κίνηση και μουσική.
Πραγματοποιούνται ήδη ορισμένες βελτιώσεις της μπαταρίας
Καθώς τα νέα μοντέλα μπαταριών συνεχίζουν την ανεξάντλητη αλλά ληθαργική πορεία τους προς την εμπορευματοποίηση, οι εταιρείες ηλεκτρονικών και λογισμικού βρίσκονται στην ίδια θέση με τα τελευταία 23 χρόνια: πρέπει να επιλύσουν τους περιορισμούς μιας ξεπερασμένης τεχνολογίας. Μερικοί ήταν πιο επιτυχημένοι από άλλους στη θεραπεία των συμπτωμάτων - η LG εφάρμοσε έναν σχεδιασμό με στρώσεις ιόντων λιθίου στο G2, για παράδειγμα, ότι ισχυρίστηκε ότι αύξησε την ικανότητα κατά 16 τοις εκατό - αλλά αρκεί να μην αντιμετωπιστούν οι αιτίες της χαμηλής χωρητικότητας και της φτωχής μακροζωίας, δεν θα αλλάξουν πολλά.
Η ατυχής πραγματικότητα είναι ότι, με εξαίρεση τους εξωτερικούς φορτιστές και τις μπαταρίες τρίτων, υπάρχει πραγματικά δεν είναι μια καλή εναλλακτική λύση για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου · οι περισσότερες έρευνες παραμένουν στο στάδιο του πρωτοτύπου, οι προσωρινές λύσεις και οι λύσεις μετά την αγορά δεν είναι τόσο πρακτικές - το επόμενο smartphone σας δεν είναι πολύ πιθανό να διαθέτει ηλιακό πάνελ ή λογισμικό Wi-Fi εξοικονόμησης ενέργειας ή νανογεννήτριες.
Δεν υπάρχει ασημένια σφαίρα για τα δεινά του ιόντων λιθίου της βιομηχανίας μπαταριών, αλλά έχουμε δει κάποιες ανακαλύψεις από ιδρύματα όπως το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nangyang, όπου οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μια άνοδο διοξειδίου του τιτανίου με γρήγορη φόρτιση. Επιταχύνεται επίσης η ανάπτυξη εναλλακτικών λύσεων. Τον Απρίλιο, επιστήμονες της τεχνολογίας με άδεια της NASA που μπορούν να μετατρέψουν θερμότητα από καυσαέρια αυτοκινήτων σε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρισμό και ερευνητές της ιαπωνικής εταιρείας Fuji Pigment έχουν κάνει βήματα προς την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας αέρα-αλουμινίου, μπαταριών με θεωρητική χωρητικότητα 40 φορές μεγαλύτερη από το ιόν λιθίου .
Δώστε του μερικά ακόμη χρόνια
Σίγουρα, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν τα πλεονεκτήματά τους: είναι φθηνές, εύκολες στην κατασκευή και συγκριτικά σταθερές. Αλλά είναι επίσης τεράστια και δεν διαρκούν πολύ. Δεν αποτελεί έκπληξη ότι υπάρχει πείνα για εναλλακτικές λύσεις, και ενώ κανείς δεν είναι πραγματικά εδώ, υπάρχει λόγος να είμαστε αισιόδοξοι. Περισσότεροι ερευνητές αντιμετωπίζουν το «πρόβλημα ιόντων λιθίου» από ποτέ. Μερικά εναλλακτικά σχέδια μπαταριών πλησιάζουν επίσης στην εμπορευματοποίηση. Και εν τω μεταξύ μερικά από τα μισά μέτρα δεν είναι μισά άσχημα - το QuickCharge της Qualcomm, μια λεγόμενη τεχνολογία γρήγορης φόρτισης ενσωματωμένη σε μερικά smartphone, επιταχύνει δραματικά τη φόρτιση.
Είναι αλήθεια ότι ο θάνατος του λιθίου-ιόντος δεν έχει φτάσει αρκετά, αλλά είναι πιο κοντά από ποτέ. Δεν είναι παράλογο να προβάλλετε ότι σε πέντε ή λιγότερα χρόνια, τα smartphone που διαρκούν λιγότερο από λίγες ημέρες με μία μόνο φόρτιση θα φαίνονται θετικά (δεν προορίζονται) προϊστορικά.
