Έρευνα μπαταρίας γρήγορης φόρτισης: Hot, Super High-Tech & Wowing!

Από τότε που τα κινητά τηλέφωνα έγιναν δημοφιλή, η σημασία των επαναφορτιζόμενων ηλεκτρικών μπαταριών αυξάνεται σταθερά παγκοσμίως. Σύμφωνα με τη Wikipedia, το 2013, υπολογίζεται ότι υπήρχαν 6,8 δισεκατομμύρια κινητά τηλέφωνα σε χρήση παγκοσμίως (συμπεριλαμβανομένων των smartphone) και 97 στους 100 ανθρώπους στον κόσμο είχαν τουλάχιστον ένα κινητό τηλέφωνο. Αυτά τα στοιχεία περιλαμβάνουν μερικούς από τους φτωχότερους ανάμεσά μας. Ενώ ένας μεγάλος αριθμός χρηστών δεν υπερβαίνει τις απλές φωνητικές κλήσεις (και τα σπάνια γραπτά μηνύματα), η διαθεσιμότητα δωρεάν, εξαιρετικών, εύχρηστων «εφαρμογών» (ή εφαρμογών), που αυξάνονται σε ποικιλία και αριθμό μέρα με τη μέρα , σταδιακά προσελκύει πολλούς από αυτήν την κατηγορία για να γίνουν «βασικοί» χρήστες κινητών τηλεφώνων. Πολλοί άνθρωποι που χρησιμοποιούν υπολογιστές ως την κύρια υπολογιστική τους συσκευή σήμερα, γνωρίζοντας ότι οι υπολογιστές θα παραχωρήσουν σύντομα τη θέση τους στην υπεροχή τους στον κόσμο των υπολογιστών, αρχίζουν επίσης να αλλάζουν στα smartphone. Αυτοί οι παράγοντες αναμένεται να οδηγήσουν σε αύξηση 35% στον αριθμό των χρηστών smartphone έως το 2020 (ή 9,2 δισεκατομμύρια χρήστες παγκοσμίως).

Καθώς τα smartphone γίνονται πιο λεπτά, ελαφρύτερα, πιο έξυπνα, χρησιμοποιούν μεγαλύτερες οθόνες και ούτω καθεξής, γίνονται επίσης πιο απαιτητικά για ενέργεια. Έτσι, η κρίσιμη ανάγκη για μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας, εξαιρετικά γρήγορης φόρτισης που μπορεί να επαναφορτιστούν πολλές φορές πριν πεταχτούν στα σκουπίδια, για την επιτυχία των μελλοντικών smartphone.

Υπάρχουν και άλλες σημαντικές εφαρμογές, που εξαρτώνται από τη γρήγορη φόρτιση των μπαταριών για την ευημερία τους. Το ένα είναι η πολυδιαφημισμένη βιομηχανία ηλεκτρικών οχημάτων (EV). Οι χρήστες αναμένουν ότι ο χρόνος επαναφόρτισης της μπαταρίας θα είναι συγκρίσιμος με τον χρόνο που απαιτείται για την πλήρωση καυσίμου σε ένα βενζινάδικο σήμερα, δηλαδή περίπου 4-5 λεπτών. Μια άλλη εξαιρετικά σημαντική εφαρμογή είναι στα έξυπνα δίκτυα – αυτοί οι ευφυείς σταθμοί διαχείρισης ηλεκτρικής ενέργειας, όπου γίνεται διαχείριση των εισροών ηλεκτρικής ενέργειας και των εκροών προς τους χρήστες. Απαιτούνται μπαταρίες μεγάλης χωρητικότητας, γρήγορης φόρτισης/αποστράγγισης για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας (όποτε η είσοδος υπερβαίνει τη ζήτηση) και την απελευθέρωση της κάθε φορά που υπάρχει έλλειμμα. Κάπως λιγότερο κρίσιμες, ωστόσο σημαντικές, είναι οι μπαταρίες γρήγορης φόρτισης που χρησιμοποιούνται σε έξυπνα ρολόγια, έξυπνα σπίτια και προσωπικές συσκευές υγείας (PHD).

Πριν από μερικά χρόνια, είχε γίνει αναμφισβήτητα σαφές ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (η καλύτερη τεχνολογία μπαταριών που χρησιμοποιείται σήμερα) θα ήταν κατάφωρα ανεπαρκείς για τις μελλοντικές απαιτήσεις. Υπάρχει τόσο μεγάλο χάσμα μεταξύ της τεχνολογίας ιόντων λιθίου και της προβλεπόμενης μπαταρίας του μέλλοντος, που έγινε προφανές ότι τίποτα λιγότερο από ένα «κβαντικό άλμα» (ή επανάσταση) στην τεχνολογία των μπαταριών δεν θα αρκούσε. Γι’ αυτό, ενώ δεν είχε βγει ακόμη στις ειδήσεις, είχε ξεκινήσει πυρετώδης και φρενήρης έρευνα σε πολλά κορυφαία πανεπιστημιακά και εταιρικά κέντρα Έρευνας και Ανάπτυξης για να βρεθεί αυτή η εξαιρετική τεχνολογία μπαταρίας του μέλλοντος με χαρακτηριστικά όπως: χρόνος φόρτισης κατά σειρά λίγων λεπτών ή και δευτερολέπτων (ουάου!), χαμηλότερο βάρος (φτάνει στο μισό στην περίπτωση των μπαταριών EV), μεγαλύτερη χωρητικότητα, ασφάλεια (χωρίς ηλεκτρικές πυρκαγιές και εκρήξεις που θυμίζουν τις αναμενόμενες ατυχίες του Boeing 787 του 2013! ), σημαντικά χαμηλότερο κόστος, εύκολος χειρισμός και χρόνοι κύκλου σε χιλιάδες και δέκα χιλιάδες!

Το να σκεφτεί κανείς την επίτευξη ενός «κβαντικού άλματος» στην τεχνολογία σε 1-2 χρόνια θα είχε αφήσει πολλούς στην επιστημονική κοινότητα άναυδους στο πρόσφατο παρελθόν. Τώρα, όμως, τα πράγματα έχουν αλλάξει! Ο άνθρωπος, έχοντας προωθήσει τα σύνορα της επιστημονικής γνώσης με πρωτοφανή άλματα και όρια τα τελευταία χρόνια, οι σημερινοί ερευνητές, που κάθονται στις ίδιες τις κορυφές της επιστημονικής γνώσης, φαίνεται να προσφέρουν πολλά υποσχόμενες λύσεις με μια σταγόνα ενός καπέλου!

Ακολουθεί λοιπόν μια σειρά από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες που βρίσκονται υπό έρευνα τη στιγμή της συγγραφής αυτού του άρθρου. (Σημείωση: Η έρευνα για τις μπαταρίες γρήγορης φόρτισης είναι επί του παρόντος πλημμυρισμένη από πολλές εναλλακτικές τεχνολογίες που ανταγωνίζονται για τη θέση Νο. 1. Όντας τόσο πολυάριθμος, ο συγγραφέας δεν προσπάθησε να παρουσιάσει μια εξαντλητική λίστα. Αντίθετα, η παρακάτω λίστα αντιπροσωπεύει το καλύτερο από το σύνολο, κατά τη γνώμη του.)

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ-ΓΡΑΦΙΤΗ (βλ. Αρ. Αναφοράς 2 & 4 για περισσότερες λεπτομέρειες):

Στην κορυφή της λίστας βρίσκεται η τεχνολογία αλουμινίου-γραφίτη που αναπτύσσεται στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ των ΗΠΑ. Είναι καταπληκτικό λόγω του χρόνου φόρτισής του 1 λεπτό (ναι, 60 δευτερόλεπτα!). Ενώ η χωρητικότητά του είναι περίπου το ήμισυ του Li-ion, αντισταθμίζει αυτό το μειονέκτημα με τον απίστευτο χρόνο φόρτισής του. Σε σύγκριση με τη διάρκεια ζωής του Li-ion περίπου 1000 κύκλων φόρτισης, ο γραφίτης αλουμινίου διαρκεί τουλάχιστον 7.500 κύκλους. Είναι πολύ πιο ασφαλές και από το Li-ion – οι ερευνητές λένε ότι ακόμα κι αν το τρυπήσετε, δεν θα πάρει φωτιά!

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ-ΑΕΡΑ (ΓΙΑ EV) (Αριθ. αναφοράς 1&2):

Στην μπαταρία αλουμινίου-αέρα (Al-air) χρησιμοποιείται οξυγόνο από τον αέρα στην κάθοδο και κατά συνέπεια δεν χρειάζεται ξεχωριστός οξειδωτικός. Αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει ενεργειακές πυκνότητες που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν ένα EV με τόση ισχύ ώστε να το φέρουν στο ίδιο επίπεδο με τις αντίστοιχες που κινούνται με βενζίνη. Η αυτονομία με μία μόνο, πλήρη φόρτιση είναι περίπου 1000 μίλια! Μερικές επαναφορτίσεις μπορεί να είναι το μόνο που χρειάζεστε εάν οδηγείτε έως και 2000 μίλια το μήνα!

Αυτό που είναι εντυπωσιακό με αυτήν την μπαταρία είναι ότι είναι μόλις το μισό βάρος από την τρέχουσα μπαταρία λιθίου. Με το μισό βάρος της μπαταρίας να έχει χαθεί, έχετε πολύ περισσότερο ωφέλιμο φορτίο για τη μεταφορά επιβατών και εμπορευμάτων (Σημείωση: Η μπαταρία είναι μακράν, το βαρύτερο εξάρτημα ενός EV. Στο Tesla Roadster, για παράδειγμα, η μπαταρία συμβάλλει στο ένα τρίτο περίπου του συνολικού βάρους, έτσι ώστε το βάρος που εξοικονομείται, δηλαδή το ένα έκτο του συνόλου, είναι σημαντικό).

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ-ΑΕΡΑ (ΓΙΑ EV) (Αρ. αναφοράς 2):

Αυτός είναι ένας διαφορετικός τύπος από την τεχνολογία Al-air που συζητήθηκε παραπάνω. Ουάου γιατί λειτουργεί με νερό (συνηθισμένο αλλά και θαλασσινό νερό) και έχει 40 φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα από Li-ion!

ΓΡΗΓΟΡΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΒΑΣΙΣΜΕΝΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ (Αρ. αναφοράς 5):

Η StoreDot Ltd., μια ισραηλινή εταιρεία υψηλής τεχνολογίας που ασχολείται με τις μπαταρίες γρήγορης φόρτισης, θα κυκλοφορήσει σύντομα με το “FlashBattery for SmartPhones”, έναν παγκόσμιο φορτιστή smartphone. Η εταιρεία χρησιμοποιεί ιδιόκτητες οργανικές ενώσεις που δημιουργούνται/χειρίζονται με τη χρήση νανοτεχνολογίας.

Τι το κάνει εντυπωσιακό; Μπορεί να επαναφορτίσει οποιοδήποτε τηλέφωνο, ανεξαρτήτως μάρκας ή μοντέλου, σε ένα λεπτό (μέγιστο)!

Εκτός από τηλέφωνα, ο φορτιστής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση φορητών συσκευών, PHD, tablet και άλλα παρόμοια. Ωστόσο, υπάρχει ένα αλίευμα – αν και αποδεδειγμένο, δεν είναι ακόμα διαθέσιμο στο εμπόριο! Ενδέχεται να χρειαστεί ένας χρόνος από τώρα για να γίνει διαθέσιμο σε καταστήματα λιανικής.

Το StoreDot θα προσφέρει επίσης το “FlashBattery for EV”, έναν γρήγορο φορτιστή για ηλεκτρικά αυτοκίνητα σύντομα. Αυτό το προϊόν έχει προγραμματιστεί να φορτίσει μια μπαταρία αυτοκινήτου σε μόλις πέντε λεπτά!

ΓΡΗΓΟΡΗ ΦΟΡΤΙΣΗ ΜΕ ΡΑΔΙΟΚΥΜΑΤΑ (Αρ. αναφοράς 2):

Σε αυτή την τεχνολογία, η ηλεκτρική ενέργεια που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση μεταδίδεται μέσω ραδιοκυμάτων.

Όχι πολύ εντυπωσιακό, εκτός από το ότι είναι ασύρματο και φορτίζει από απόσταση έως και 20 πόδια. Και υπάρχει επίσης ένα αλίευμα – δεν είναι άμεσα διαθέσιμο στην αγορά.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΗΣ ΡΟΗΣ (Αρ. αναφοράς 2 & Wikipedia):

Αναπτύχθηκε από το MIT (Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης), η τεχνολογία οργανικής ροής παράγει ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας μια οργανική ουσία, το AQDS (9,10-ανθρακινον-2,7-δισουλφονικό οξύ) ως φορέα φορτίου.

Μας εντυπωσιάζει με τη μείωση του 97% του κόστους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας (από μπαταρίες) – ενώ οι μεταλλικές μπαταρίες παρέχουν ισχύ 1 KWh στα 700 $, οι μπαταρίες οργανικής ροής σάς δίνουν τόση ισχύ με μόλις 27 $!

ΝΑΝΟΜΠΑΤΑΡΙΕΣ (Αριθ. αναφοράς 2, 6 & Wikipedia):

Οι νανομπαταρίες κατασκευάζονται από μπαταρίες μεγέθους “νανο” (δηλαδή μεγεθών της τάξης των 10 ανυψωμένων στα -9 μέτρα). Οι μπαταρίες «νάνο» δημιουργούνται τοποθετώντας δύο ηλεκτρόδια σε μια μικροσκοπική οπή (ή «νανοπόρο») σε μια ηλεκτρικά μονωτική μεμβράνη ή μεταλλική ένωση (όπως το οξείδιο του αλουμινίου) που χωρίζεται από ένα λεπτό μονωτικό φιλμ. Ένας μεγάλος αριθμός «νανοπόροι» συντήκονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια πλήρη μπαταρία.

Τίποτα υπερθετικό για αυτούς; Ναί! Οι νανοπόροι είναι τόσο μικροσκοπικοί σε μέγεθος που δεν είναι ορατοί μεμονωμένα. Μπορούν να συγκρατήσουν έως και τέσσερις φορές την ενέργεια του Li-ion και να φορτιστούν πλήρως σε 10 λεπτά. Εκτός αυτού, έχουν διάρκεια ζωής περίπου 1.000 κύκλους φόρτισης.

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΛΙΘΙΟΥ-ΤΙΤΑΝΙΟΥ NTU (ΓΙΑ EV) (Αρ. αναφοράς 7 & Wikipedia):

Πρόκειται για μια τεχνολογική ανακάλυψη από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang (NTU) που εδρεύει στη Σιγκαπούρη. Αλλάζοντας την κάθοδο γραφίτη που βρίσκεται στις μπαταρίες Li-ion σε ένα τζελ χαμηλού κόστους από διοξείδιο του τιτανίου, η NTU ισχυρίζεται ότι έχει αναπτύξει μια μπαταρία εξαιρετικά γρήγορης φόρτισης που φορτίζει στο 70% της χωρητικότητάς της σε δύο λεπτά! Εκτός από τον χρόνο φόρτισης των δύο λεπτών, αυτό που εντυπωσιάζει είναι η εξαιρετική διάρκεια ζωής του, των 20 ετών.

Με στόχο κυρίως τα ηλεκτρικά οχήματα, ο συντελεστής διάρκειας ζωής της μπαταρίας αναμένεται να μειώσει σημαντικά το κόστος που διαφορετικά θα προέκυπτε λόγω συχνών αντικαταστάσεων μπαταριών.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η έρευνα μπαταριών γρήγορης φόρτισης είναι ένα εξελισσόμενο πεδίο επί του παρόντος γεμάτο με πολλές εναλλακτικές τεχνολογίες που είναι πολλά υποσχόμενες. Τεχνολογίες που βασίζονται σε μεταλλικό υπόστρωμα αφρού, πυρίτιο, ιόντα νατρίου, μικροβιακές κυψέλες καυσίμου που τροφοδοτούνται με ούρα, ηλιακή ενέργεια, υδρογόνο, αιθάλη από κεριά και πολλές άλλες που βρίσκονται υπό Ε&Α παρακάμπτονται κατά τη δημιουργία της παραπάνω λίστας, η οποία πιστεύει ότι είναι η καλύτερη από τις παρτίδα. Μια αξιοσημείωτη παράλειψη είναι η τεχνολογία “over the air charging” της Meredith Perry, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια που μεταδίδεται μέσω υπερήχων για τη φόρτιση. Μια πολυαναμενόμενη, πολύ δημοφιλής τεχνολογία μέχρι πριν από λίγο, προφανώς απέτυχε να περάσει τις πρόσφατες δοκιμές αξιολόγησης, έτσι ώστε έπρεπε να απορριφθεί από την εξέταση.

Βιβλιογραφικές αναφορές: (Απαιτείται αποκοπή+επικόλληση συνδέσμου στο πρόγραμμα περιήγησής σας για πρόσβαση στους αριθμούς αναφοράς 3 έως 7)

1. Jeffrey Marlow, “The 10 Hottest Fields of Science Research,” The 10 Hottest Fields of Science Research | Ενσύρματο, http://www.wired.com/2013/08/the-10-hottest-fields-of-science-research/

2. Pocket-lint, “Μελλοντικές μπαταρίες, προσεχώς: φόρτιση σε δευτερόλεπτα, τελευταίους μήνες και φόρτιση μέσω αέρα,” Μελλοντικές μπαταρίες, σύντομα: φόρτιση σε δευτερόλεπτα, τελευταίους μήνες και φόρτιση μέσω αέρα – Pocket-lint, http://www.pocket-lint.com/news/130380-future-batteries-coming-soon-charge-in-seconds-last-months-and-power-over-the-air

3. ScienceDaily”Batteries Research,” Batteries News — Science Daily, sciencedaily.com/news/matter_energy/batteries/

4. Πανεπιστήμιο Stanford, “Η μπαταρία αλουμινίου από το Stanford προσφέρει ασφαλή εναλλακτική λύση στις συμβατικές μπαταρίες,” news.stanford.edu/news/2015/march/aluminium-ion-battery-033115.HTML

5. StoreDot Ltd.”FlashBattery for Smartphones,” StoreDot What We Do, store-dot.com/#!smartphones/c1u5l

6. Ars Technica,”Νέα μπαταρία που αποτελείται από πολλές νανομπαταρίες,” | Ars Technica, arstechnica.com/science/2014/11/new-battery-composed-of-lots-of-nanobatteries/

7. Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang, “Το NTU αναπτύσσει μπαταρίες εξαιρετικά γρήγορης φόρτισης που διαρκούν 20 χρόνια,” News Detail, media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=809fbb2f-95f0-4995-b5c0-10c94c

Σχολιάστε