Пользователь
0,0
рейтинг
27 февраля 2014 в 16:34

Обзор новых технологий в производстве источников питания

Текущий месяц выдался удачным для разработчиков элементов питания. В различных источниках то и дело появляются новости о новинках в этой отрасли. Я решил собрать информацию о них и поделиться с вами. Под катом вас ждёт много различных технологий хранения энергии — от сахарных до квантовых.


«Квантовая» батарея


С 26 по 28 февраля в Токио проходит выставка накопителей, на которой среди прочих представлена компания Micronics Japan Co. Ltd. О её предыдущих разработках мало что известно, но совсем недавно она заявила о том, что разработала и подготовила к производству слоистую батарею нового типа. Одиночная ячейка, которую демонстрирует компания, представляет собой плёнку из металл-оксид-полупроводниковой структуры n-типа, в которой используются частицы диоксида титана, диоксида олова и оксида цинка, покрытые изолирующей плёнкой. В опытном образце используется лист нержавеющей стали толщиной 10 мкм, но вскоре его заменят на алюминиевый.



Квантовой разработчики назвали свою батарею чтобы подчеркнуть её физическую, а не химическую природу. Несмотря на то, что для хранения энергии вместо ионов в ней используются электроны, по принципу действия эта батарея отличается от конденсаторов. Утверждается, что система основана на хранении электронов «в запрещённой зоне» полупроводника.



При производстве структур «металл — оксид — полупроводник» зарядовый слой накопителя облучают ультрафиолетом. После изготовления, при зарядке, электроны занимают свободные энергические уровни в рабочем материале и хранятся там до тех пор, пока батарею не потребуется разрядить. В итоге получаются перезаряжаемые батареи с очень высокой плотностью хранения энергии.
Какими показателями обладают тестовые образцы неизвестно, но разработчик заявляет, что серийные образцы, которые появятся в скором будущем, будут иметь ёмкость до 500 Вт•ч/л и при этом смогут выдавать до 8 000 Вт пиковой мощности на литр объёма.
Такие накопители объединяют лучшие черты аккумуляторов и суперконденсаторов. Даже при малой ёмкости они смогут выдавать большую пиковую мощность. Напряжение, снимаемое с таких накопителей, не уменьшается по мере их разрядки, а до конца остаётся стабильным.
Заявленный диапазон рабочих температур от -25 до +85 °C. Батарея может быть подвержена 100 тыс. циклов зарядки-разрядки до падения ёмкости ниже 90% от первоначальной. Способность быстро забирать и отдавать энергию сильно уменьшит время зарядки. Кроме того, такие батареи пожаробезопасны. Редкие или дорогие материалы в её производстве не используются. В общем, плюсов столько, что даже не верится.

Самозаряжающаяся батарея


Группа исследователей во главе с Чжунлинь Ваном (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии (США) создала самозаряжающуюся батарею, не требующую для возобновления заряда подключения к розетке.
Устройство заряжается от механического воздействия, а точнее — от нажатия. Его планируется применять в сматрфонах и других устройствах сенсорных устройствах.
Разработчики разместили своё устройство под клавишами калькулятора и смогли обеспечить его работоспособность в течение суток за счёт энергии от нажатия кнопок.



Батарея представляет собой «прирог» из поливинилиденфторидной и цирконат-титанатосвинцовой плёнок толщиной в несколько сот микрометров. При нажатии на неё ионы лития мигрируют от катода к аноду в силу пьезоэлектрического эффекта. Чтобы повысить эффективность прототипа, исследователи добавили в его пьезоэлектрический материал наночастицы, усиливающие соответствующий эффект, и добились серьёзного увеличения ёмкости и скорости подзарядки устройства.
Нужно понимать, что батарея непрозрачная, поэтому может помещаться только под кнопками, либо под экраном.
Батарея не имеет таких выдающихся характеристик, как ранее описанное устройство (сейчас ёмкость батареи размером со стандартную «таблетку» для матплат выросла с начальных 0,004 до 0,010 мА•ч), но разработчика обещают ещё поработать над её эффективностью. До промышленных образцов ещё далеко, хотя гибкие экраны — основные устройства, в которых разработчика планируют разместить свою батарею — пока слабо распространены. Ещё есть время доработать своё изобретение и внедрить в производство.

Батарея на основе сахара


Складывается впечатление, что разработкой батарей занимаются только азиаты. Прототип очередной необычной батареи создали в американском Политехническом университете Вирджинии.



Эта батарея по сути работает на сахаре, точнее на мальтодекстрине — полисахариде, полученном в результате гидролиза крахмала. Катализатором в такой батарее является энзим. Он намного дешевле платины, которая сейчас применяется в обычных батареях. Такая батарея относится к типу энзимных топливных элементов. Электричество здесь производится путём реакции кислорода, воздуха и воды. В отличии от водородных топливных элементов, энзимы негорючи и невзрывоопасны. А после того, как батарея исчерпает свой ресурс, по словам разработчиков, её можно будет снова заправить сахаром.
О технических характеристиках данного типа аккумуляторов пока известно мало. Утверждается лишь, что плотность энергии в них в несколько раз выше, чем в обычных литий-ионных батареях. Стоимость таких батарей существенно ниже обычных, поэтому разработчики полны уверенности найти им коммерческое применение в ближайшие 3 года. Подождём обещанного.

Батарея со структурой граната


А вот учёные из американской Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Стэнфордском университете решили увеличить объём обычных батарей, воспользовавшись структурой граната.



Разработчики максимально уменьшили размер анодов и поместили каждый из них в углеродную оболочку. Это позволяет предотвратить их разрушение. В процессе зарядки, частицы расширяются и объединяются в кластеры, которые так же помещаются в углеродную оболочку. В результате таких манипуляций, ёмкость этих аккумуляторов в 10 раз превышает ёмкость обычных литий-ионных батарей.
Из опытов следует, что после 1000 циклов заряда/разряда, батарея сохраняет 97% первоначальной ёмкости.
Но о коммерческом применении данной технологии говорить пока рано. Слишком уж дороги в производстве кремниевые наночастицы и слишком сложен сам процесс создания таких батарей.

Атомные батареи


И напоследок расскажу о разработке британских учёных. Они решили переплюнуть своих коллег создав миниатюрный ядерный реактор. Прототип атомного аккумулятора, созданный исследователями университета Сюррея на основе трития, производит достаточно энергии для работы мобильного телефона в течение 20 лет. Правда подзарядить его потом уже не получится.



В батареи, представляющей собой интегральную микросхему, происходит ядерная реакция, в результате которой вырабатывается 0,8 – 2,4 ватт энергии. Рабочая температура батареи составляет от -50 до +150. При этом ей не страшны резкие перепады температуры и давления.
Разработчики утверждают, что для человека тритий, который содержится в батареи не опасен, т.к. его содержание там очень мало. Однако, о массовом производстве таких источников питания пока рано говорить — учёным предстоит провести ещё массу исследований и испытаний.

Заключение


Конечно, далеко не все из вышеописанных технологий найдут своё применение, тем не менее, надо понимать, что в ближайшие несколько лет должен произойти прорыв в технологии производства аккумуляторных батарей, который повлечёт за собой всплеск распространения электромобилей и производства смартфонов и других электронных устройств нового типа.
Алексей @dmzkrsk
карма
10,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (37)

  • +19
    Хочу карманный атомный реактор.
    • +12
      Свинцовое нижнее белье в нагрузку.
      • +13
        Оно ещё опаснее. Вдруг резинка лопнет — это ж все пальцы на ногах одним махом отдавит.
        • –1
          Знаете анекдот, молодцы ;)
      • 0
        Хм… точно ведь в нагрузку, да :)
    • +3
      На Таобао уже продают за 6980¥ (~2500р.)
      • 0
        [del] Не актуально
  • +9
    Для получения 2,4 ватт энергии, трития должно быть достаточно, чтобы нанести вред здоровью при попадении внутрь, но он обязательно должен быть строго изолирован от внешней среды. А вообще довольно таки много трития получают на атомных станциях, почему бы его и вправду не приспособить. А если еще такю батарею изнутри обмазать люминофором, то вообще вполне себе антруажный светящийся ядерный реактор в кармане :)
    • +1
      Тритиевые брелки с люминофором и так ведь свободно продаются.

      Вообще странно, что речь идет о 20 годах. У трития период полураспада 12,3 года. Через 20 лет от него только треть останется. Либо батарея существенно потеряет в мощности, либо изначально надо закачивать больше трития. Мне кажется, по поводу характеристик этих батарей британские ученые поднаврали.
      • +3
        британские ученые поднаврали

        Чтобы британские ученые и поднаврали? Серьезно?
      • +3
        Все верно, со временем выходная мощность будет падать

        Model: EOL20KY15 3.0 Volts
        Year 00: 50.0 microWatts
        Year 12: 25.0 microWatts
        Year 15: 21.5 microWatts
        Year 20: 16.2 microWatts
        • +1
          телефон потребляющий 16.2 microWatts — изобретение куда интереснее.
  • +2
    Можно ссылку на карманный атомный реактор от британских ученых?
    А квантовая батарея на МОП структуре, если это правда, то это будет очень круто
    • 0
      Не могу сейчас найти, откуда я это взял. Но вот похожая статья, написанная намного раньше. Ну и пониже xakpc дал ещё несколько ссылок. По ним можно даже выйти на покупку этого мини-реактора.
      • 0
        Всё же нашёл первоисточник
        • 0
          На хабре раньше опубликовали, еще год назад habrahabr.ru/post/170209/
          Только цена на таобао больше похоже на утку, ведь стоимость её свыше 1000 долларов, если я не ошибаюсь.
          Сайт производителя: www.citylabs.net/
  • 0
    И напоследок расскажу о разработке британских учёных.

    Судя по сайту они в США. Судя по новости в Китае.
    А я где-то слышал что они из Канады.
    • +10
      Ну да, а «0,8 – 2,4 ватт энергии» согласно их же спецификации «превращаются»:
      0,8 – 2,4 ВОЛЬТ, и макс. 350 наноАмпер
      или 0,00000035*2,4 = 0,00000084 ватт или 840 нановатт.
      • +2
        Нанотехнологии в действии :).
      • +2
        И это уже гораздо больше похоже на спецификации уже давным давно существующих изотопных элементов питания.
  • +4
    Насчет атомного мобильного телефона неправда.
    50-350 наноампер (т.е. 0,35 мкА) при напряжении от 0.8 до 2.4В.
  • +3
    Последние лет 6, может больше, появляются подобные статьи, но прорыва все никак нет =(
  • +2
    500 ваттчасов на литр — это 0.5 ваттчаса на см^3, или 160 mAh при напряжении 3 В, что очень мало.
    • 0
      Не так, чтобы очень мало. У литий-иона 110 … 230 Вт*ч/кг. Вот только сколько в литре литий иона килограмм, и сколько килограммов в литре этой квантовой батареи, не понятно. Думаю, примерно сопоставимо. А вот 8 киловатт на литр, думается мне, совсем не дурно. А вообще, то и дело мелькают новости про новые типы батарей, а воз и ныне там…
      • 0
        В литре лития около 0.5 кг, если верить википедии, то есть получается ~100 Вт*ч/л. Но честно говоря мне в это с трудом верится. Вот возьмём типичную батарейку от смартфона. Она будет иметь размер ну, скажем, 3x4 см при толщине 0.5 см. То есть 6 см^3. При этом она будет держать 3000 mAh заряда. То есть получается 500 mAh/cm^3, что в 3 раза лучше заявленой плотности для этой новой технологии.

        > А вот 8 киловатт на литр

        Это не про ёмкость писали, а про максимальную выходную мощность.
        • 0
          Не, батареи явно тяжелее самого лития. К тому же, в мобильных используется LiPo, в которых энергия немного сильнее уплотняется, но не в разы, явно. Про 8 киловатт на литр я прекрасно понимаю. Для электротранспорта перспективная батарея, если осилят производство
    • 0
      Не литий надо считать. Стандартный аккум 18650 имеет объём ((π×(18^2)÷4)×60) = 15268 куб.мм или 0,015 литра при ёмкости в 10Вт*ч., или 655 Вт*ч на литр, что уже больше.

      Ещё раз повторю — обычный промышленный аккум, как в ноутбуках.
  • 0
    Каким образом работает этот атомный элемент?
    • +1
      Вот каким: habrahabr.ru/post/116659/
      • +1
        Возможно объясните заодно, почему у BarsMonster оно на несколько порядков больше отдает (заявлено 7 милливатт)? Может в размерах дело, хотя врядли в них трития настолько меньше (не в 7 же тысяч раз)…
        • +4
          А дело в том, что это первоапрельская статья. Это не самый перспективный источник энергии.
        • +1
          Был бы у меня 1 микроватт — это был бы успех…
  • +3
    >> Электричество здесь производится путём реакции кислорода, воздуха и воды.
    WAT
  • +2
    А я память на мемристорах до сих пор жду. И где она?
  • 0
    Я так понимаю, что про топливные элементы, заправляемые спиртом, все сразу забыли, как только гранты оказались попиленными?

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.