Τι είναι μια στερεά μπαταρία και θα λύσει τα προβλήματα ζωής της μπαταρίας μας;

Η τεχνολογία κινητής τηλεφωνίας αυξάνεται εκθετικά, αλλά η τεχνολογία της μπαταρίας δεν διατηρείται. Φτάνουμε στα φυσικά όρια για τα συμβατικά σχέδια λιθίου-ιόντων και πολυμερών λιθίου. Η λύση μπορεί να είναι κάτι που ονομάζεται μπαταρία στερεάς κατάστασης.

Τι είναι μια μπαταρία στερεάς κατάστασης?

Σε ένα συμβατικό σχεδιασμό συσσωρευτών-συνηθέστερα ιόντα λιθίου-δύο ηλεκτρικά στερεά μέταλλα χρησιμοποιούνται με ένα υγρό άλας λιθίου που δρα ως ηλεκτρολύτης. Τα ιόντα σωματίδια κινούνται από το ένα ηλεκτρόδιο (η κάθοδος) στο άλλο (η άνοδος) καθώς φορτίζονται οι μπαταρίες και αντίστροφα καθώς εκφορτίζονται. Ο υγρός ηλεκτρολύτης άλατος λιθίου είναι το μέσο που επιτρέπει αυτή την κίνηση. Εάν έχετε δει ποτέ μια μπαταρία να διαβρωθεί ή να τρυπηθεί, το «οξύ της μπαταρίας» που εκπέμπει (ή μερικές φορές εκρήγνυται) είναι ο υγρός ηλεκτρολύτης.

Σε μια μπαταρία στερεάς κατάστασης, τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά ηλεκτρόδια και ο ηλεκτρολύτης μεταξύ τους είναι στερεά κομμάτια από μέταλλο, κράμα ή κάποιο άλλο συνθετικό υλικό. Ο όρος "στερεάς κατάστασης" μπορεί να σας υπενθυμίσει μονάδες δίσκων SSD και αυτό δεν είναι σύμπτωση. Οι μονάδες αποθήκευσης στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν μνήμη flash, η οποία δεν κινείται, σε αντίθεση με έναν τυπικό σκληρό δίσκο, ο οποίος αποθηκεύει δεδομένα σε έναν περιστρεφόμενο μαγνητικό δίσκο που τροφοδοτείται από ένα μικρό κινητήρα.

Αν και η ιδέα των στερεών ηλεκτρικών συσσωρευτών έχει περάσει εδώ και δεκαετίες, οι εξελίξεις στην ανάπτυξή τους μόλις αρχίζουν, οι οποίες σήμερα προωθούνται από επενδύσεις από εταιρείες ηλεκτρονικών ειδών, κατασκευαστές αυτοκινήτων και γενικούς βιομηχανικούς παρόχους.

Τι είναι καλύτερα για τις στερεάς κατάστασης μπαταρίες?

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης υποσχόμαστε μερικά ξεχωριστά πλεονεκτήματα έναντι των ξαφνίων με υγρό ξαδέλφων τους: καλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, ταχύτεροι χρόνοι φόρτισης και ασφαλέστερη εμπειρία.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης συμπιέζουν την άνοδο, την κάθοδο και τον ηλεκτρολύτη σε τρία επίπεδα στρώματα αντί να αναστέλλουν τα ηλεκτρόδια σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη. Αυτό σημαίνει ότι μπορείτε να τα κάνετε μικρότερα - ή τουλάχιστον, πιο επίπεδη - διατηρώντας ταυτόχρονα την ίδια ενέργεια με μια μεγαλύτερη μπαταρία με βάση το υγρό. Έτσι, εάν αντικαταστήσατε τη μπαταρία λιθίου-ιόντων ή λιθίου-πολυμερούς στο τηλέφωνο ή το φορητό υπολογιστή σας με μια στερεά μπαταρία του ίδιου μεγέθους, θα χρειαζόταν πολύ μεγαλύτερη χρέωση. Εναλλακτικά, μπορείτε να κάνετε μια συσκευή που κρατά την ίδια χρέωση πολύ μικρότερη ή λεπτότερη.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι επίσης ασφαλέστερες, δεδομένου ότι δεν υπάρχει τοξικό, εύφλεκτο υγρό για να χυθεί και δεν εξάγει τόσο θερμότητα όσο οι συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Όταν εφαρμόζονται σε μπαταρίες που τροφοδοτούν ηλεκτρικά ρεύματα ή ακόμα και ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ενδέχεται να επαναφορτιστούν πολύ πιο γρήγορα, τα ιόντα θα μπορούσαν να κινηθούν πολύ πιο γρήγορα από την κάθοδο στην άνοδο.

Σύμφωνα με τις τελευταίες έρευνες, μια μπαταρία στερεάς κατάστασης μπορεί να ξεπεράσει τις συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες κατά 500% ή περισσότερο από την άποψη της χωρητικότητας και να φορτίσει το ένα δέκατο του χρόνου.

Ποια είναι τα μειονεκτήματα?

Επειδή οι στερεάς κατάστασης μπαταρίες είναι μια αναδυόμενη τεχνολογία, είναι εξαιρετικά ακριβές στην κατασκευή. Τόσο ακριβό, στην πραγματικότητα, ότι δεν έχουν εγκατασταθεί σε καμία μεγάλη ηλεκτρονική ηλεκτρονικών υπολογιστών κατά το χρόνο της γραφής. Το 2012, οι αναλυτές που γράφουν για το Τμήμα Ανάλυσης Λογισμικού του Πανεπιστημίου της Φλώριδας και το Τμήμα Προχωρημένης Επεξεργασίας Υλικών εκτιμούν ότι μια τυπική μπαταρία στερεάς κατάστασης μεγέθους κυψέλης θα κοστίσει περίπου 15.000 δολάρια για την κατασκευή. Ένα μεγάλο μέγεθος για να τροφοδοτήσει ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο θα κοστίσει $ 100.000.

Κάνοντας μια μπαταρία στερεάς κατάστασης αρκετά μεγάλη για να τροφοδοτεί το τηλέφωνό σας κοστίζει χιλιάδες δολάρια σήμερα.

Μέρος αυτού είναι ότι δεν υπάρχουν οι οικονομίες κλίμακας - κάθε χρόνο γίνονται εκατοντάδες εκατομμύρια επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, έτσι ώστε το κόστος κατασκευής των υλικών και του εξοπλισμού να απλώνεται σε τεράστιες γραμμές παροχής. Υπάρχουν μόνο λίγες εταιρείες και πανεπιστήμια που ερευνούν ηλεκτρικές στήλες στερεάς κατάστασης, επομένως το κόστος για την παραγωγή καθενός είναι αστρονομικό.

Ένα άλλο θέμα είναι τα υλικά. Ενώ είναι γνωστές οι ιδιότητες διαφόρων μετάλλων, κραμάτων και μεταλλικών αλάτων που χρησιμοποιούνται για συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, δεν γνωρίζουμε σήμερα την καλύτερη χημική και ατομική σύνθεση για έναν στερεό ηλεκτρολύτη μεταξύ μεταλλικών ανόδων και καθόδων. Η τρέχουσα έρευνα περιορίζει αυτό το γεγονός, αλλά πρέπει να συγκεντρώσουμε πιο αξιόπιστα δεδομένα προτού μπορέσουμε να συγκεντρώσουμε ή να συνθέσουμε τα υλικά και να επενδύσουμε σε παραγωγικές διαδικασίες.

Πότε θα χρησιμοποιήσω μια μπαταρία στερεάς κατάστασης?

Όπως με όλες τις αναδυόμενες τεχνολογίες, προσπαθώντας να καταλάβω πότε θα πάρετε τα χέρια σας σε αυτό είναι εικασίες στην καλύτερη περίπτωση.

Είναι ενθαρρυντικό το γεγονός ότι πολλές τεράστιες εταιρείες επενδύουν στην έρευνα που απαιτείται για να φέρονται οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης στην καταναλωτική αγορά, αλλά ντροπαλός για μια σημαντική ανακάλυψη στο άμεσο μέλλον, είναι δύσκολο να πούμε εάν θα υπάρξει ένα μεγάλο άλμα προς τα εμπρός. Τουλάχιστον μία εταιρεία αυτοκινήτων λέει ότι θα είναι έτοιμη να βάλει ένα σε ένα όχημα μέχρι το 2023, αλλά δεν μαντέψει πόσο μπορεί να κοστίσει αυτό το αυτοκίνητο. Πέντε χρόνια φαίνεται υπερβολικά αισιόδοξη. δεκαετίας φαίνεται πιθανότερο. Θα μπορούσε να είναι είκοσι χρόνια ή περισσότερο πριν εγκατασταθούν τα υλικά και αναπτύσσονται οι διαδικασίες παραγωγής.

Αλλά όπως είπαμε στην αρχή του άρθρου, η συμβατική τεχνολογία μπαταριών αρχίζει να χτυπάει έναν τοίχο. Και δεν υπάρχει τίποτα σαν πιθανές πωλήσεις για να προωθήσει την έρευνα και την ανάπτυξη. Είναι τουλάχιστον ελαφρώς (πολύ, πολύ ελαφρώς) πιθανό να μπορέσετε να χρησιμοποιήσετε ένα gadget ή να οδηγήσετε ένα αυτοκίνητο που κινούνται με μπαταρία στερεάς κατάστασης σύντομα.

Πιστωτική εικόνα: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock