Technologia mobilna rośnie wykładniczo, ale technologia baterii nie nadąża. Zbliżamy się do fizycznych granic możliwości konwencjonalnych konstrukcji litowo-jonowych i litowo-polimerowych. Rozwiązaniem może być coś, co nazywa się baterią półprzewodnikową.
Co to jest bateria półprzewodnikowa?
W konwencjonalnej konstrukcji baterii - najczęściej litowo-jonowej - stosuje się dwie stałe elektrody metalowe z ciekłą solą litu działającą jako elektrolit. Cząsteczki jonowe przemieszczają się z jednej elektrody (katody) do drugiej (anody) podczas ładowania baterii i odwrotnie, gdy bateria się rozładowuje. Płynny elektrolit z solą litu jest medium, które umożliwia ten ruch. Jeśli kiedykolwiek widziałeś, jak akumulator koroduje lub zostaje przebity, „kwas akumulatorowy”, który wycieka (lub czasami eksploduje) to ciekły elektrolit.
W akumulatorze półprzewodnikowym zarówno elektrody dodatnie, jak i ujemne oraz elektrolit między nimi są stałymi kawałkami metalu, stopu lub innego materiału syntetycznego. Termin „ciało stałe” może przypominać o dyskach SSD i to nie jest zbieg okoliczności. Dyski półprzewodnikowe wykorzystują pamięć flash, która się nie porusza, w przeciwieństwie do standardowego dysku twardego, który przechowuje dane na wirującym dysku magnetycznym napędzanym małym silniczkiem.
Chociaż idea akumulatorów półprzewodnikowych istnieje od dziesięcioleci, postęp w ich rozwoju dopiero się zaczyna, obecnie stymulowany inwestycjami firm elektronicznych, producentów samochodów i dostawców ogólnych.
Co jest lepszego w bateriach półprzewodnikowych?
Akumulatory półprzewodnikowe obiecują kilka wyraźnych zalet w porównaniu z ich wypełnionymi cieczami kuzynami: lepszą żywotność baterii, krótsze czasy ładowania i bezpieczniejsze wrażenia.
Akumulatory półprzewodnikowe kompresują anodę, katodę i elektrolit w trzy płaskie warstwy zamiast zawieszania elektrod w ciekłym elektrolicie. Oznacza to, że można je zmniejszyć - lub przynajmniej bardziej spłaszczyć - zachowując tyle samo energii, co większa bateria płynna. Tak więc, jeśli wymienisz baterię litowo-jonową lub litowo-polimerową w telefonie lub laptopie na baterię półprzewodnikową tego samego rozmiaru, ładowanie będzie znacznie dłuższe. Alternatywnie możesz zrobić urządzenie, które ma ten sam ładunek, znacznie mniejsze lub cieńsze.
Baterie półprzewodnikowe są również bezpieczniejsze, ponieważ nie ma toksycznej, łatwopalnej cieczy, która mogłaby się rozlać, i nie wydzielają tak dużo ciepła, jak konwencjonalne akumulatory. Po zastosowaniu do akumulatorów zasilających elektronikę prądową, a nawet samochody elektryczne, ładują się one znacznie szybciej - jony mogą przemieszczać się znacznie szybciej od katody do anody.
Według najnowszych badań, bateria półprzewodnikowa może przewyższać konwencjonalne akumulatory o 500% lub więcej pod względem pojemności i ładować się w jednej dziesiątej czasu.
Jakie są wady?
Ponieważ baterie półprzewodnikowe to nowa technologia, ich produkcja jest niewiarygodnie droga. Tak drogie, że w chwili pisania tego tekstu nie są instalowane w żadnej większej elektronice konsumenckiej. W 2012, analitycy pracujący dla wydziału analizy oprogramowania i zaawansowanego przetwarzania materiałów Uniwersytetu Florydy oszacowano, że produkcja typowej baterii półprzewodnikowej wielkości telefonu komórkowego kosztowałaby około 15 000 USD. Jeden wystarczająco duży, aby zasilić samochód elektryczny, kosztowałby 100 000 dolarów.
Po części wynika to z braku korzyści skali - obecnie każdego roku produkuje się setki milionów akumulatorów, więc koszty produkcji materiałów i sprzętu są rozłożone na ogromne linie zaopatrzenia. Tylko kilka firm i uniwersytetów prowadzi badania nad bateriami półprzewodnikowymi, więc koszt ich wyprodukowania jest astronomiczny.
Kolejną kwestią są materiały. Chociaż właściwości różnych metali, stopów i soli metali używanych w konwencjonalnych akumulatorach są dobrze znane, obecnie nie znamy najlepszego składu chemicznego i atomowego stałego elektrolitu między metalowymi anodami i katodami. Obecne badania to zawężają, ale musimy zebrać bardziej wiarygodne dane, zanim będziemy mogli zebrać lub zsyntetyzować materiały i zainwestować w procesy produkcyjne.
Kiedy będę używać baterii półprzewodnikowej?
Podobnie jak w przypadku wszystkich powstających technologii, próba ustalenia, kiedy ją zdobędziesz, jest w najlepszym razie zgadywaniem.
To zachęcające, że wiele ogromnych korporacji inwestuje w badania potrzebne do wprowadzenia baterii półprzewodnikowych na rynek konsumencki, ale nie mając w perspektywie wielkiego przełomu w najbliższej przyszłości, trudno powiedzieć, czy będzie to duży krok naprzód. Co najmniej jedna firma samochodowa twierdzi, że będzie gotowy do umieszczenia jednego w pojeździe do 2023 r., ale nie wie, ile może kosztować ten samochód. Pięć lat wydaje się zbyt optymistycznym; dziesięć lat wydaje się bardziej prawdopodobne. Może minąć dwadzieścia lub więcej lat, zanim materiały zostaną ustalone i opracowane zostaną procesy produkcyjne.
Ale jak powiedzieliśmy na początku artykułu, konwencjonalna technologia baterii zaczyna uderzać w ścianę. Nie ma to jak potencjalna sprzedaż, która pobudza badania i rozwój. Jest przynajmniej trochę (bardzo, bardzo mało) możliwe, że wkrótce będziesz mógł korzystać z gadżetu lub prowadzić samochód zasilany baterią półprzewodnikową.
Kredyt obrazu: Sucharas Wongpeth / Shutterstock, Daniel Krason / Shutterstock
