Ini adalah sebuah paradoks, tetapi terlepas dari jalan luar biasa yang telah dilakukan elektronik selama 30 tahun terakhir, semua perangkat seluler masih dilengkapi dengan baterai lithium-ion, yang memasuki pasar pada awal 1991, ketika pemutar CD biasa menjadi puncak rekayasa teknologi portabel.
Banyak properti berguna dari sampel baru dalam elektronik dan gadget yang diratakan oleh waktu yang terbatas dari catu daya perangkat ini dari baterai ponsel. Sabun ilmiah dan penemu akan melangkah maju sejak lama, tetapi mereka disimpan oleh "jangkar" baterai.
Mari kita lihat teknologi apa yang dapat mengubah dunia elektronik di masa depan.
Pertama, sedikit sejarah
Paling sering, baterai lithium-ion (Li-ion) digunakan di perangkat seluler (laptop, ponsel, PDA, dan lainnya). Hal ini karena keunggulannya dibandingkan baterai nikel-metal hidrida (Ni-MH) dan nikel-kadmium (Ni-Cd) yang sebelumnya banyak digunakan.
Baterai Li-ion memiliki parameter yang jauh lebih baik. Namun, harus diingat bahwa baterai Ni-Cd memiliki satu keunggulan penting: kemampuan memberikan arus pengosongan yang tinggi. Properti ini tidak terlalu penting saat menyalakan laptop atau ponsel (di mana pangsa Li-ion mencapai 80% dan bagiannya menjadi semakin banyak), tetapi ada beberapa perangkat yang mengkonsumsi arus tinggi, misalnya, semua jenis perkakas listrik, alat cukur listrik, dll. P. Hingga saat ini, perangkat ini hampir secara eksklusif menjadi domain baterai Ni-Cd. Namun, saat ini, terutama sehubungan dengan pembatasan penggunaan kadmium sesuai dengan arahan RoHS, penelitian tentang pembuatan baterai bebas kadmium dengan arus pelepasan yang tinggi semakin intensif.
Video promosi:
Sel primer ("baterai") dengan anoda litium muncul pada awal 70-an abad ke-20 dan dengan cepat menemukan aplikasi karena energi spesifiknya yang tinggi dan keunggulan lainnya. Dengan demikian, keinginan lama untuk menciptakan sumber arus kimia dengan zat pereduksi paling aktif, logam alkali, terwujud, yang memungkinkan untuk secara dramatis meningkatkan tegangan operasi baterai dan energi spesifiknya. Jika pengembangan sel primer dengan anoda litium dimahkotai dengan keberhasilan yang relatif cepat dan sel semacam itu dengan mantap menggantikannya sebagai sumber daya untuk peralatan portabel, maka pembuatan baterai litium mengalami kesulitan mendasar, yang membutuhkan waktu lebih dari 20 tahun untuk mengatasinya.
Setelah melalui banyak pengujian sepanjang tahun 1980-an, ternyata masalah baterai litium adalah seputar elektroda litium. Lebih tepatnya, seputar aktivitas litium: proses yang terjadi selama operasi, pada akhirnya, menimbulkan reaksi keras, yang disebut "ventilasi dengan pelepasan nyala api". Pada tahun 1991, sejumlah besar baterai lithium ditarik kembali ke pabrik, yang digunakan untuk pertama kalinya sebagai sumber daya untuk telepon seluler. Alasannya - selama percakapan, ketika konsumsi saat ini maksimal, nyala api dipancarkan dari baterai, membakar wajah pengguna ponsel.
Karena ketidakstabilan yang melekat pada litium logam, terutama selama pengisian, penelitian telah berpindah ke bidang pembuatan baterai tanpa menggunakan Li, tetapi menggunakan ionnya. Meskipun baterai lithium-ion memberikan kepadatan energi yang sedikit lebih rendah daripada baterai lithium, baterai Li-ion aman jika dilengkapi dengan kondisi pengisian dan pengosongan yang benar. Namun, mereka tidak kebal terhadap ledakan.
Ke arah ini, juga, sementara semuanya mencoba untuk berkembang dan tidak berhenti. Misalnya, para ilmuwan dari Nanyang Technological University (Singapura) telah mengembangkan baterai lithium-ion jenis baru yang memiliki performa memecahkan rekor. Pertama, pengisian daya dalam 2 menit hingga 70% dari kapasitas maksimumnya. Kedua, baterai telah bekerja hampir tanpa degradasi selama lebih dari 20 tahun.
Apa yang bisa kita harapkan selanjutnya?
Sodium
Menurut banyak peneliti, logam alkali inilah yang seharusnya menggantikan lithium yang mahal dan langka, yang lebih aktif secara kimiawi dan berbahaya bagi kebakaran. Prinsip pengoperasian baterai natrium mirip dengan litium - mereka menggunakan ion logam untuk mentransfer muatan.
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan dari berbagai laboratorium dan institut telah bergumul dengan kelemahan teknologi natrium, seperti pengisian daya yang lambat dan arus yang rendah. Beberapa dari mereka berhasil menyelesaikan masalah tersebut. Misalnya, sampel pra-produksi baterai BroadBit mengisi daya dalam lima menit dan memiliki kapasitas satu setengah hingga dua kali lipat. Setelah menerima beberapa penghargaan di Eropa, seperti Penghargaan Radar Inovasi, Penghargaan Inovasi Eureka dan sejumlah penghargaan lainnya, perusahaan beralih ke sertifikasi, membangun pabrik, dan memperoleh hak paten.
Graphene
Grafena adalah kisi kristal datar dari atom karbon setebal satu atom. Berkat luas permukaannya yang besar dalam volume ringkas yang mampu menyimpan muatan, graphene adalah solusi ideal untuk membuat superkapasitor ringkas.
Sudah ada model eksperimental dengan kapasitas hingga 10.000 Farad! Superkapasitor ini dibuat oleh Sunvault Energy bekerja sama dengan Edison Power. Pengembang mengklaim bahwa di masa depan mereka akan menghadirkan model, yang energinya akan cukup untuk memberi daya pada seluruh rumah.
Superkapasitor semacam itu memiliki banyak keunggulan: kemungkinan pengisian hampir instan, ramah lingkungan, keamanan, kekompakan, dan juga biaya rendah. Berkat teknologi baru untuk memproduksi graphene, mirip dengan pencetakan pada printer 3D, Sunvault menjanjikan biaya baterai hampir sepuluh kali lebih murah daripada teknologi lithium-ion. Namun, produksi industri masih jauh.
Sanvault juga memiliki pesaing. Sekelompok ilmuwan dari University of Swinburn, Australia, juga mempresentasikan supercapacitor graphene, yang memiliki kapasitas sebanding dengan baterai lithium-ion. Ini dapat diisi dalam beberapa detik. Selain itu, ini fleksibel, yang memungkinkannya digunakan di perangkat berbagai faktor bentuk, dan bahkan di pakaian pintar.
Baterai atom
Baterai nuklir masih sangat mahal. Dalam waktu dekat baterai tersebut tidak akan dapat bersaing dengan baterai lithium-ion yang sudah dikenal, tetapi kami tidak dapat tidak menyebutkannya, karena sumber yang telah menghasilkan energi secara terus menerus selama 50 tahun jauh lebih menarik daripada baterai yang dapat diisi ulang.
Prinsip operasinya, dalam arti, mirip dengan operasi sel surya, hanya saja alih-alih matahari, sumber energi di dalamnya adalah isotop dengan radiasi beta, yang kemudian diserap oleh elemen semikonduktor.
Tidak seperti radiasi gamma, radiasi beta praktis tidak berbahaya. Ini adalah aliran partikel bermuatan dan mudah dilindungi oleh lapisan tipis bahan khusus. Itu juga secara aktif diserap oleh udara.
Saat ini, pengembangan baterai semacam itu dilakukan di banyak lembaga. Di Rusia, NUST MISIS, MIPT dan NPO Luch mengumumkan kerja sama mereka ke arah ini. Sebelumnya, proyek serupa diluncurkan oleh Tomsk Polytechnic University. Dalam kedua proyek tersebut, zat utamanya adalah nikel-63, yang diperoleh dengan iradiasi neutron dari isotop nikel-62 dalam reaktor nuklir dengan pemrosesan dan pemisahan radiokimia lebih lanjut dalam sentrifugal gas. Prototipe pertama baterai harus siap pada 2017.
Namun, catu daya beta-volta ini berdaya rendah dan sangat mahal. Dalam kasus pembangunan Rusia, perkiraan biaya sumber listrik miniatur bisa mencapai 4,5 juta rubel.
Catu daya atom berdasarkan tritium NanoTritium dari City Labs.
Nickel-63 juga memiliki pesaing. Misalnya, University of Missouri telah bereksperimen dengan strontium-90 untuk waktu yang lama, dan baterai beta-volta miniatur berbasis tritium dapat ditemukan secara komersial. Dengan harga di wilayah seribu dolar, mereka dapat memberi daya pada berbagai alat pacu jantung, sensor, atau mengimbangi pelepasan sendiri baterai lithium-ion.
Gantungan kunci bercahaya dengan tritium.
Para ahli tenang untuk saat ini
Terlepas dari pendekatan produksi massal baterai natrium pertama dan pekerjaan aktif pada catu daya graphene, pakar industri tidak memprediksi revolusi apa pun untuk beberapa tahun ke depan.
Perusahaan Liteko, yang beroperasi di bawah sayap Rusnano dan memproduksi baterai lithium-ion di Rusia, yakin bahwa belum ada alasan untuk melambatnya pertumbuhan pasar. “Permintaan yang stabil untuk baterai lithium-ion terutama karena energi spesifiknya yang tinggi (disimpan per unit massa atau volume). Menurut parameter ini, mereka tidak memiliki pesaing di antara sumber tenaga kimia isi ulang yang diproduksi secara seri saat ini,”komentar perusahaan.
Namun, dalam kasus keberhasilan komersial baterai natrium BroadBit yang sama, pasar dapat memformat ulang dalam hitungan tahun. Kecuali jika pemilik dan pemegang saham ingin menghasilkan banyak uang dari teknologi baru.
