Martin Abegglen / Flickr Record-etterspørsel etter eksterne ladere er en manifestasjon av ønsket om dingser som kan vare i flere dager ubundne, og hva et sterkt ønske det er: i 2012 fant en JD Power and Associates-undersøkelse at batterilevetiden, mer enn noen annen funksjon, bidro til misnøye blant smarttelefonkjøpere. Det er usannsynlig at det har endret seg i dag, når den gjennomsnittlige smarttelefonen bare kan surfe på nettet i rundt 8 timer før den dør ... på Wi-Fi.
Først ser det ut til at skylden ligger hos smarttelefonprodusenter. Du antar at batteriene som driver flaggskipene fra Samsung, LG, Motorola, osv. Er valgt av de respektive ingeniørene. Sannheten er imidlertid mer nyansert: litiumionbatteriene i nesten alle enheter i dag har ikke endret seg radikalt siden de kom ut for 23 år siden. Denne lange stagnasjonen har tvunget selskaper til å gå på akkord med smarttelefonstørrelse, batterilevetid eller begge deler. Enten kan en enhet som en telefon være tynn, eller den kan få anstendig batterilevetid.
Så hvordan kom vi akkurat til dette punktet, og hvor skal vi hen? Forbedrede batteridesigner ligger i horisonten, men vil de noen gang treffe markedet? Har noen nye batteriteknologier en reell sjanse til å avslutte vår avhengighet av litiumion, og vil andre løsninger bidra til å gjøre dagens batterier tålelige i mellomtiden? Vi prøvde å finne ut av det.
Hvordan batterier fungerer
De første oppladbare litiumionbatteriene var eksplosive. Bokstavelig. Sony og kjemikalieselskapet Asashi Kasei lærte dette på den harde måten da selskapets første kommersielle metallbaserte litiumbatteri i 1991 brant gjennom en mobiltelefon og påførte et manns ansikt.
Litiumionbatteriene i nesten alle enheter i dag har ikke endret seg radikalt siden de kom ut for 23 år siden.
Det hindret imidlertid ikke litiumionceller i å bli den dominerende kraftkilden i bærbare enheter. Grunnen? De er mye mer energitette enn alternativene, for en, men også relativt vedlikeholdsfrie. I motsetning til andre batterier krever de ikke utladning, har ikke minne, opplever ikke celledrepende sulfatering og inneholder færre giftige metaller enn de fleste andre batterier. Litiumionbatterier er ganske enkelt et av de mest allsidige masseproduserte batteriene.
Men de er begrenset på andre måter, hovedsakelig energitetthet. Årsaken, sa visepresident for markedsføring i Leyden Energy Noam Kedem til CNET i et intervju, er fordi "[v] olumetrisk energitetthet faller når [litiumionceller] blir tynnere fordi emballasjen tar opp en høyere prosentandel av energivolumet." Hva betyr det for gjennomsnittsforbrukeren? Hvis du vil ha god batterilevetid, må du gå på akkord med størrelsen.
Ta dette eksemplet: Nokia Lumia 1520 kan vare i opptil 107 timer på en lading, men måler 6,4 tommer på tvers - størrelsen på en phablet. 6,34-tommers Huawei Ascend Mate2 4G varer omtrent det samme. Den eneste mindre telefonen som holder seg i gigantenes verden, er Xperia Z3 Compact, som klarer å eike ut 101 timer på en god dag. Men å oppnå den bragden krevde Sony-designere å velge en 720p-skjerm, en fjerntliggende spesifikasjon for en smarttelefon priset til $ 630.
Sony Xperia Z3 Compact Den virkelig skuffende delen er at selv de store batteriene ikke vil vare veldig lenge. Apple vurderer iPhone-batteriet til 80 prosent av kapasiteten for 50 ladninger, som forutsatt at du lader telefonen en gang om natten, er omtrent et og et halvt år.
Utover disse begrensningene, er det problemet med sikkerhet. Dagens litiumionbatterier er kanskje ikke så farlige som de metallbaserte designene fra før, men stump kraft kan fortsatt føre til at de kortslutter, går i oppløsning eller frigjør skadelig gass. Feil er sjeldne, men resultatene kan være dramatiske - en gjennomboret batteripakke for to år siden førte til at en Tesla Model S sprakk i flammer, og en viral video illustrerer akkurat hva som kan skje når du treffer et Samsung Galaxy S5-batteri med en hammer.
Gitt de utallige problemene, er det ingen overraskelse at det er et sterkt ønske blant både forbrukere og produsenter av enheter om mindre, tettere og tryggere alternativer. Undersøkelsen på den fronten er lovende, men trikset viser seg ikke nødvendigvis å være forskning, men å tilpasse design for masseproduksjon. Å redusere kostnadene forbundet med fabrikasjon og oppnå effektivitet er ofte den tøffeste delen av å bringe nye batterier på markedet.
Fremtidens batterier kommer sakte
Det kommer bedre batterier, og noen kommer fra ideer tidligere. Ta forskning fra University of Stanford, for eksempel. De første litiumbatteridesignene inneholdt litiumanoder, anoder som raskt ble funnet å være ineffektive og usikre, men forskere ved Stanford klarte nylig å løse disse problemene ved å isolere litium fra elektrolytten med et spesielt beskyttende lag med karbonnanostrukturer. Resultatet er en dobling, kanskje tredobling av batterilevetiden.
Batterier laget av sand har så mye som 3 ganger kapasiteten og levetiden til tradisjonelle batterier.
Et rent litiumbatteri er den antatte etterfølgeren til dagens batterier - ingeniørledelse for Stanford-prosjektet Yi Cui sier at materialet har det "største" potensialet til alle materialene som kan brukes som anoder. Men produksjonen er gni: Stanford-teamets design har ennå ikke nådd den nødvendige bransjeterskelen for effektivitet (99,9 prosent) for kommersialisering, og selv når den gjør det, kan fabrikasjonens kompleksitet resultere i en høy prislapp - et sted i området $ 25.000 for bilstørrelse batteri, fortalte energisekretær Steven Chu til Phys.org.
Derfor vendte forskere ved University of California Riverside seg til sand. De samlet granuler med en høy andel kvarts, malte dem med salt og magnesium, og til slutt oppvarmet dem for å fjerne oksygen og trekke ut rent silisium. Det endelige materialet har så mye som tre ganger kapasiteten og levetiden til tradisjonelle batterier.
Men batterier fra sand er heller ikke mulig for håndsettene i lommene våre. Forskerne har ennå ikke oppdaget en metode for å produsere silisiumsand i målestokk; det største batteriet de har produsert til dags dato er størrelsen på en liten mynt.
Kang Shin og Xinyu Zhang Barrieren for å markedsføre nye design er så alvorlig at enhetsbedrifter som Apple, Google og Dyson har begynt å jobbe direkte med batteriselskaper for å akselerere utviklingen. Men i fravær av noen vesentlige gjennombrudd har maskinvare- og programvareprodusenter utviklet egne løsninger for å imøtekomme vårt intense ønske om smarttelefoner, nettbrett, elbiler og bærbare datamaskiner med lang varighet.
En av årsakene til rask batteridrift er Wi-Fi - moderne håndsett overvåker trådløs trafikk i nærheten hele tiden, bruker mye energi på å undersøke pakker og ser etter klare kanaler i miljøer fulle av forstyrrende signaler. University of Michigan informatikk- og ingeniørprofessor Kang Shin og doktorgradsstudent Xinyu Zhang kom opp med en løsning, som de kaller Energy-Minimizing Idle Listening (E-MiLi).
E-MiLi sparer strøm ved å bremse den interne trådløse brikken mens Wi-Fi ikke er i bruk, noe Shin og Zhang sier resulterer i en gjennomsnittlig energibesparelse på omtrent 44 prosent. Videre er E-MiLi kompatibel med 92 prosent av mobile enheter. Men det er en fangst, som alltid: den er avhengig av at trådløse rutere med spesiell firmware fungerer.
Rich Shibley / digitale trender
En annen idé som forskere overveier med er hurtiglading. Det er et paraplybegrep som omfatter alt fra optimalisert programvare til forsterkede kondensatorer, men konseptet er enkelt: strømadaptere med veldig, veldig korte ladesykluser. I midten av 2013 viste en 18 år gammel student frem en superkondensator på Intels Science and Engineering Fair som kan lade et smarttelefonbatteri på 30 sekunder. Blueshift Bamboo-høyttaleren, som fungerer på et lignende prinsipp, kan lade i løpet av minutter og vare i seks timer.
Noen tilleggsladere er langt sprøere. En luksuriøs smarttelefon laget av Tag Heuer har solcellelag som lader batteriet fra sollys. Forskere ved UC San Diego har laget en midlertidig "batteritatovering" som er ladet av svette. Og forskere ved Nokia og Queen Mary University i London jobber for tiden med “nanogeneratorer” designet for å generere elektrisitet fra lyder som menneskelige stemmer, trafikk og musikk.
Noen batteriforbedringer skjer allerede
Etter hvert som nye batterimodeller fortsetter sin ubønnhørlige, men sløvhet mot kommersialisering, finner elektronikk- og programvareselskaper seg i omtrent samme stilling som de har vært de siste 23 årene: de må jobbe rundt begrensningene med en utdatert teknologi. Noen har vært mer vellykkede enn andre med å behandle symptomene - LG implementerte et lagdelt litiumiondesign i G2, for eksempel at det hevdet at kapasiteten økte med 16 prosent - men så lenge årsakene til lav kapasitet og dårlig levetid ikke blir adressert, ikke mye vil endre seg.
Den uheldige virkeligheten er at, med unntak av eksterne ladere og tredjepartsbatterier, det virkelig er ikke et godt alternativ til litium-ion-batterier ennå; mest forskning gjenstår i prototypestadiet, midlertidige og ettermarkedsløsninger er ikke så praktiske - din neste smarttelefon er ikke så sannsynlig å ha et solcellepanel eller energibesparende Wi-Fi-programvare eller nanogeneratorer.
Det er ingen sølvkule til batteriindustriens litium-ion-problemer akkurat nå, men vi har sett noen gjennombrudd fra institusjoner som Nangyang Technological University, hvor forskere har utviklet en hurtigladende titandioksidanode. Utviklingen av alternativer akselererer også. I april har forskere ved NASA lisensiert teknologi som kan konvertere varme fra bilavgasser til brukbar elektrisitet, og forskere ved det japanske selskapet Fuji Pigment har tatt skritt mot kommersialisering av aluminium-luftteknologi, batterier med en teoretisk kapasitet 40 ganger større enn litiumion .
Gi det noen år til
Visst, litiumionbatterier har fordelene: de er billige, enkle å produsere og relativt stabile. Men de er også enorme og varer ikke lenge. Det er ingen overraskelse at det er sult etter alternativer, og selv om ingen virkelig er her ennå, er det grunn til å være håpfull. Flere forskere takler “litiumionproblemet” enn noen gang før. Noen alternative batteridesigner nærmer seg også kommersialisering. Og noen få av de halve tiltakene er ikke halv dårlige i mellomtiden - Qualcomms QuickCharge, en såkalt hurtigladeteknologi innebygd i noen smarttelefoner, fremskynder lading dramatisk.
Det er sant at litium-ionets dødsangrep ikke helt har kommet, men det er nærmere enn det noen gang har vært. Det er ikke urimelig å projisere at smarttelefoner som varer mindre enn noen få dager på en enkelt lading om fem eller færre år, vil virke positivt (ingen ordspill ment) forhistorisk.
