Martin Abegglen / Flickr Record-efterspørgsel efter eksterne opladere er en manifestation af ønsket om gadgets, der kan vare i ubundne dage, og hvilket stærkt ønske det er: i 2012 fandt en JD Power and Associates-undersøgelse, at batteriets levetid mere end nogen anden funktion, bidraget til utilfredshed blandt købere af smartphones. Det er usandsynligt, at det har ændret sig i dag, når den gennemsnitlige smartphone kun kan surfe på nettet i omkring 8 timer, før han dør ... på Wi-Fi.
Først ser det ud til, at skylden ligger hos smartphone-producenter. Du antager muligvis, at batterierne, der driver flagskibene fra Samsung, LG, Motorola osv., Er valgt af de respektive ingeniører. Sandheden er dog mere nuanceret: lithium-ion-batterierne i næsten alle enheder i dag har ikke ændret sig radikalt siden de kom ud for 23 år siden. Denne lange stagnation har tvunget virksomheder til at gå på kompromis med smartphone-størrelse, batterilevetid eller begge dele. Enten kan en enhed som en telefon være tynd, eller den kan få en anstændig batterilevetid.
Så hvordan kom vi præcist til dette punkt, og hvor skal vi hen? Forbedrede batteridesigner ligger i horisonten, men vil de nogensinde ramme markedet? Har nogen nye batteriteknologier en reel chance for at afslutte vores afhængighed af lithiumion, og vil andre løsninger hjælpe med at gøre nutidens batterier tålelige i mellemtiden? Vi bestræbte os på at finde ud af det.
Sådan fungerer batterier
De første genopladelige lithium-ion-batterier var eksplosive. Bogstaveligt talt. Sony og kemikaliefirmaet Asashi Kasei lærte dette på den hårde måde, da virksomhedernes første kommercielle metalbaserede lithiumbatteri i 1991 brændte gennem en mobiltelefon og påførte forbrændinger i en mands ansigt.
Lithium-ion-batterierne i næsten alle enheder i dag har ikke ændret sig radikalt siden de kom ud for 23 år siden.
Det forhindrede dog ikke lithium-ion-celler i at blive den dominerende kraftkilde i bærbare enheder. Grunden? De er meget mere energitætte end alternativerne for en, men også relativt vedligeholdelsesfri. I modsætning til andre batterier kræver de ikke afladning, har ikke hukommelse, oplever ikke celledræbende sulfatering og indeholder færre giftige metaller end de fleste andre batterier. Lithium-ion-batterier er ganske enkelt et af de mest alsidige masseproducerede batterier.
Men de er begrænset på andre måder, hovedsagelig energitæthed. Årsagen, sagde vicepræsident for markedsføring hos Leyden Energy Noam Kedem til CNET i et interview, er fordi "[v] olumetrisk energitæthed falder som [lithiumionceller] bliver tyndere, fordi emballagen optager en højere procentdel af energimængden." Hvad betyder det for den gennemsnitlige forbruger? Hvis du vil have en god batterilevetid, skal du gå på kompromis med størrelsen.
Tag dette eksempel: Nokia Lumia 1520 kan vare op til 107 timer på en opladning, men måler 6,4 tommer på tværs - størrelsen på en phablet. 6,34-tommer Huawei Ascend Mate2 4G holder omtrent det samme. Den eneste mindre telefon, der holder sig selv inden for giganter, er Xperia Z3 Compact, der formår at ekke ud 101 timer på en god dag. Men for at opnå den bedrift krævede Sony-designere at vælge en 720p-skærm, en fjerntliggende specifikation for en smartphone til en pris af $ 630.
Sony Xperia Z3 Compact Den virkelig skuffende del er, at selv de store batterier ikke holder meget længe. Apple vurderer iPhones batteri til 80 procent af kapaciteten til 50 opladninger, hvilket forudsat at du oplader din telefon en gang om natten, er cirka et og et halvt år.
Ud over disse begrænsninger er der spørgsmålet om sikkerhed. Nutidens lithium-ion-batterier er muligvis ikke så farlige som de metalbaserede designs fra tidligere år, men stump kraft kan stadig få dem til at kortslutte, gå i opløsning eller frigive skadelig gas. Fejl er sjældne, men resultaterne kan være dramatiske - en gennemboret batteripakke for to år siden fik en Tesla Model S til at sprænge i flammer, og en viral video illustrerer, hvad der kan ske, når du rammer et Samsung Galaxy S5-batteri med en hammer.
I betragtning af de utallige problemer er det ikke overraskende, at der er et stærkt ønske blandt både forbrugere og enhedsproducenter om mindre, tættere og sikrere alternativer. Undersøgelsen på den front er lovende, men tricket viser sig ikke nødvendigvis at være forskning, men at tilpasse design til masseproduktion. At reducere omkostningerne forbundet med fabrikation og opnå effektivitet er ofte den sværeste del af at bringe nye batterier på markedet.
Fremtidens batterier kommer langsomt
Der kommer bedre batterier, og nogle kommer fra ideer i fortiden. Tag for eksempel forskning fra University of Stanford. De første design af lithiumbatterier indeholdt lithiumanoder, anoder, der hurtigt viste sig at være ineffektive og usikre, men forskere ved Stanford formåede for nylig at løse disse problemer ved at isolere lithium fra elektrolytten med et specielt beskyttende lag af kulstofnanostrukturer. Resultatet er en fordobling, måske tredobling af batteriets levetid.
Batterier lavet af sand har så meget som 3X kapacitet og levetid for traditionelle batterier.
Et rent lithiumbatteri er den formodede efterfølger til nutidens batterier - ingeniørledelse på Stanford-projektet Yi Cui siger, at materialet har det "største" potentiale af alle de materialer, der kan bruges som anoder. Men produktion er gnidningen: Stanford-holdets design har endnu ikke nået den krævede industristærskel for effektivitet (99,9 procent) til kommercialisering, og selv når det gør det, kan fabrikationens kompleksitet resultere i en høj pris - et eller andet sted i intervallet $ 25.000 for batteri i køretøjsstørrelse, sagde energiminister Steven Chu til Phys.org.
Derfor vendte forskere ved University of California Riverside sig til sand. De samlede granulater med en høj procentdel kvarts, malede dem med salt og magnesium og opvarmede dem til sidst for at fjerne ilt og ekstrahere rent silicium. Det endelige materiale har så meget som tre gange kapaciteten og levetiden for traditionelle batterier.
Men batterier fra sand er heller ikke muligt for håndsættene i vores lommer endnu. Forskerne har endnu ikke fundet en metode til produktion af siliciumsand i målestok; det største batteri, de hidtil har produceret, er størrelsen på en lille mønt.
Kang Shin og Xinyu Zhang Barrieren for markedet for nye designs er så alvorlig, at enhedsselskaber som Apple, Google og Dyson er begyndt at arbejde direkte med batterivirksomheder for at fremskynde udviklingen. Men i mangel af nogen væsentlige gennembrud har hardware- og softwareproducenter udviklet deres egne løsninger til at imødekomme vores intense ønske om længerevarende smartphones, tablets, elbiler og bærbare computere.
En af årsagerne til hurtig batteridrænning er Wi-Fi - moderne håndsæt overvåger trådløs trafik i nærheden konstant og bruger meget energi på at undersøge pakker og leder efter klare kanaler i miljøer fyldt med forstyrrende signaler. University of Michigan professor i datalogi og ingeniørarbejde Kang Shin og doktorand Xinyu Zhang kom med en løsning, som de kalder Energy-Minimizing Idle Listening (E-MiLi).
E-MiLi sparer strøm ved at bremse den interne trådløse chip, mens Wi-Fi ikke er i brug, hvilket Shin og Zhang siger resulterer i en gennemsnitlig energibesparelse på ca. 44 procent. Desuden er E-MiLi kompatibel med 92 procent af mobile enheder. Men der er en fangst som altid: det er afhængigt af trådløse routere med særlig firmware til at arbejde.
Rich Shibley / digitale tendenser
En anden idé, som forskere overvejer, er hurtig opladning. Det er et paraplyudtryk, der omfatter alt fra optimeret software til forstærkede kondensatorer, men konceptet er simpelt: strømadaptere med meget, meget korte opladningscyklusser. I midten af 2013 fremlagde en 18-årig studerende en superkondensator på Intels Science and Engineering Fair, der var i stand til at oplade et smartphone-batteri på 30 sekunder. Blueshift Bamboo-højttaleren, der fungerer på et lignende princip, kan oplades på få minutter og vare i seks timer.
Nogle supplerende opladere er langt skørere. En luksus-smartphone fremstillet af Tag Heuer har solcellelag, der genoplader batteriet fra sollys. Forskere ved UC San Diego har oprettet en midlertidig "batteritatovering", der oplades af sved. Og forskere fra Nokia og Queen Mary University i London arbejder i øjeblikket på "nanogeneratorer" designet til at generere elektricitet fra lyde som menneskelige stemmer, trafik og musik.
Nogle batteriforbedringer sker allerede
Da nye batterimodeller fortsætter deres ubønhørlige, men sløve træk mod kommercialisering, finder elektronik- og softwarevirksomheder sig i stort set den samme position som de har været i de sidste 23 år: de er nødt til at arbejde rundt om begrænsningerne i en forældet teknologi. Nogle har været mere succesrige end andre med at behandle symptomerne - LG implementerede f.eks. Et lagdelt lithiumiondesign i G2, som det hævdede øget kapacitet med 16 procent - men så længe årsagerne til lav kapacitet og dårlig levetid ikke adresseres, ikke meget vil ændre sig.
Den uheldige virkelighed er, med undtagelse af eksterne opladere og tredjepartsbatterier, der virkelig ikke er et godt alternativ til lithium-ion-batterier endnu; mest forskning er stadig i prototypestadiet, de midlertidige og eftermarkedsløsninger er ikke så praktiske - din næste smartphone er ikke rigtig så sandsynlig, at den har et solpanel eller energibesparende Wi-Fi-software eller nanogeneratorer.
Der er ingen sølvkugle til batteriindustriens lithium-ion-problemer lige nu, men vi har set nogle gennembrud fra institutioner som Nangyang Technological University, hvor forskere har udviklet en hurtigopladende titandioxidanode. Udviklingen af alternativer accelererer også. I april har forskere ved NASA licenseret teknologi, der kan konvertere varme fra biludstødning til brugbar elektricitet, og forskere fra det japanske firma Fuji Pigment har taget skridt mod kommercialisering af aluminium-luft-teknologi, batterier med en teoretisk kapacitet 40 gange større end lithium-ion .
Giv det et par år til
Visst, lithium-ion-batterier har deres fordele: de er billige, nemme at fremstille og forholdsvis stabile. Men de er også enorme og varer ikke længe. Det er ikke overraskende, at der er sult efter alternativer, og selvom ingen virkelig er her endnu, er der grund til at være håbefulde. Flere forskere tackler “lithium-ion-problemet” end nogensinde før. Nogle alternative batteridesigner nærmer sig også kommercialisering. Og et par af de halve tiltag er ikke halvt dårlige i mellemtiden - Qualcomms QuickCharge, en såkaldt hurtigopladningsteknologi indbygget i nogle smartphones, fremskynder opladningen dramatisk.
Det er rigtigt, at lithium-ion's dødsfald ikke helt er ankommet, men det er tættere, end det nogensinde har været. Det er ikke urimeligt at projicere, at smartphones, der varer mindre end et par dage på en enkelt opladning om fem eller færre år, vil virke positivt (ingen ordspil beregnet) forhistorisk.
