Cererea Martin Abegglen / Flickr Record pentru încărcătoare externe este o manifestare a dorinței de gadget-uri care poate dura zile fără legătură și ce dorință puternică este: în 2012, un sondaj JD Power and Associates a constatat că durata de viață a bateriei, mai mult decât oricare alta funcție, a contribuit la nemulțumirea în rândul cumpărătorilor de smartphone-uri. Este puțin probabil să se fi schimbat astăzi, când smartphone-ul mediu poate naviga pe Web doar aproximativ 8 ore înainte de a muri ... pe Wi-Fi.
La început, se pare că vina aparține producătorilor de smartphone-uri. S-ar putea să presupuneți că bateriile care alimentează flagship-urile de la Samsung, LG, Motorola etc. sunt alese de inginerii respectivi. Adevărul este, însă, mai nuanțat: bateriile litiu-ion din aproape toate dispozitivele de astăzi nu s-au schimbat radical de când au apărut acum 23 de ani. Această lungă stagnare a forțat companiile să facă compromisuri în ceea ce privește dimensiunea smartphone-ului, durata de viață a bateriei sau ambele. Fie un dispozitiv ca un telefon poate fi subțire, fie poate avea o durată de viață decentă a bateriei.
Deci, cum am ajuns exact la acest punct și încotro ne îndreptăm? Proiectele îmbunătățite ale bateriilor se află la orizont, dar vor ajunge vreodată pe piață? Există noi tehnologii pentru baterii care au șanse reale să înceteze dependența de ionul litiu și alte soluții vor ajuta bateriile actuale să fie suportabile între timp? Ne-am străduit să aflăm.
Cum funcționează bateriile
Primele baterii reîncărcabile litiu-ion au fost explozive. Literalmente. Sony și compania chimică Asashi Kasei au învățat acest lucru în mod greu când, în 1991, prima baterie comercială de litiu pe bază de metal a companiilor a ars printr-un telefon mobil și a provocat arsuri pe fața unui bărbat.
Bateriile litiu-ion din aproape toate dispozitivele de astăzi nu s-au schimbat radical de când au apărut acum 23 de ani.
Totuși, acest lucru nu a împiedicat celulele litiu-ion să devină sursa dominantă de energie a dispozitivelor portabile. Motivul? Ele sunt mult mai dense din punct de vedere energetic decât alternativele, dar, de asemenea, relativ fără întreținere. Spre deosebire de alte baterii, acestea nu necesită descărcare, nu au memorie, nu experimentează acumularea de sulfat care ucide celulele și conțin mai puține metale toxice decât majoritatea celorlalte baterii. Bateriile litiu-ion sunt, pur și simplu, una dintre cele mai versatile baterii produse în masă din jur.
Dar sunt limitate în alte moduri, în principal densitatea energiei. Motivul, vicepreședintele marketing la Leyden Energy Noam Kedem a declarat pentru CNET într-un interviu, pentru că „[v] densitatea energiei olumetrice scade pe măsură ce [celulele litiu-ion] devin mai subțiri deoarece ambalajul ocupă un procent mai mare din volumul de energie”. Ce înseamnă asta pentru consumatorul mediu? Dacă doriți o durată mare de viață a bateriei, va trebui să faceți compromisuri în ceea ce privește dimensiunea.
Luați acest exemplu: Nokia Lumia 1520 poate dura până la 107 ore la o încărcare, dar măsoară 6,4 inci - dimensiunea unui phablet. Huawei Ascend Mate2 4G de 6,34 inch durează cam la fel. Singurul telefon mai mic care se menține pe tărâmul giganților este Xperia Z3 Compact, care reușește să scoată 101 ore într-o zi bună. Dar realizarea acestei fapte a impus designerilor Sony să opteze pentru un afișaj de 720p, o specificație periferică pentru un smartphone la prețul de 630 dolari.
Sony Xperia Z3 Compact Partea cu adevărat dezamăgitoare este că nici acele baterii mari nu vor dura foarte mult. Apple evaluează bateria iPhone-ului la 80% din capacitate pentru 50 de încărcări, care, presupunând că vă încărcați telefonul o dată pe noapte, este de aproximativ un an și jumătate.
Dincolo de aceste constrângeri, există problema siguranței. Bateriile litiu-ion din zilele noastre s-ar putea să nu fie la fel de periculoase ca și modelele metalice de odinioară, dar forța contondentă le poate provoca în continuare scurtcircuitarea, dezintegrarea sau eliberarea gazelor nocive. Eșecurile sunt rare, dar rezultatele pot fi dramatice - un acumulator străpuns acum doi ani a făcut ca Tesla Model S să izbucnească în flăcări, iar un videoclip viral ilustrează exact ce se poate întâmpla atunci când lovești o baterie Samsung Galaxy S5 cu un ciocan.
Având în vedere numeroasele probleme, nu este de mirare că există o dorință puternică atât în rândul consumatorilor, cât și al producătorilor de dispozitive, de alternative mai mici, mai dense și mai sigure. Corpul de anchetă pe acest front este promițător, dar trucul, se pare, nu este neapărat cercetarea, ci adaptarea proiectelor pentru producția în serie. Reducerea costurilor asociate fabricării și obținerea eficienței sunt adesea cea mai grea parte a aducerii pe piață a bateriilor noi.
Bateriile viitorului vin, încet
Există baterii mai bune care vin, iar unele provin din idei din trecut. Luați cercetări de la Universitatea din Stanford, de exemplu. Primele modele de baterii cu litiu conțineau anodi de litiu, anodi descoperiți rapid ca fiind ineficienți și nesiguri, dar oamenii de știință de la Stanford au reușit recent să rezolve aceste probleme izolând litiul din electrolit cu un strat special, protector, de nanostructuri de carbon. Rezultatul este dublarea, poate triplarea duratei de viață a bateriei.
Bateriile fabricate din nisip au capacitatea și durata de viață a bateriilor tradiționale de până la 3X.
O baterie cu litiu pur este succesorul presupus al bateriilor de astăzi - liderul ingineresc al proiectului Stanford, Yi Cui, spune că materialul are „cel mai mare” potențial dintre toate materialele care pot fi utilizate ca anodi. Dar producția este o problemă: designul echipei Stanford nu a atins încă pragul industrial necesar pentru eficiență (99,9%) pentru comercializare și chiar și atunci când se întâmplă, complexitatea fabricației ar putea duce la un preț ridicat - undeva în intervalul de 25.000 $ pentru bateria de dimensiuni de vehicul, a declarat pentru Phys.org secretarul pentru energie Steven Chu.
De aceea oamenii de știință de la Universitatea California Riverside s-au transformat în nisip. Au colectat granule cu un procent ridicat de cuarț, le-au măcinat cu sare și magneziu și, în cele din urmă, le-au încălzit pentru a elimina oxigenul și a extrage siliciu pur. Materialul final are de trei ori capacitatea și durata de viață a bateriilor tradiționale.
Dar nici bateriile din nisip nu sunt fezabile încă pentru telefoanele din buzunarele noastre. Cercetătorii nu au descoperit încă o metodă de producere a nisipului de siliciu la scară; cea mai mare baterie pe care au produs-o până acum este de mărimea unei monede mici.
Kang Shin și Xinyu Zhang Bariera în calea pieței pentru noile modele este atât de severă încât companiile de dispozitive precum Apple, Google și Dyson au început să lucreze direct cu firmele de baterii pentru a accelera dezvoltarea. Dar, în absența unor descoperiri semnificative, producătorii de hardware și software și-au dezvoltat soluții alternative pentru a răspunde dorinței noastre intense de smartphone-uri, tablete, mașini electrice și laptopuri de lungă durată.
Una dintre cauzele descărcării rapide a bateriei este Wi-Fi - telefoanele moderne monitorizează constant traficul wireless din apropiere, cheltuind multă energie examinând pachete și căutând canale clare în medii pline de semnale interferente. Profesorul de informatică și inginerie de la Universitatea Michigan Kang Shin și doctorandul Xinyu Zhang au venit cu o soluție, pe care o numesc E-MiLi (Min-Minimizing Idle Listening - E-MiLi).
E-MiLi economisește energie prin încetinirea cipului wireless intern în timp ce Wi-Fi nu este utilizat, ceea ce Shin și Zhang spun că are ca rezultat o economie medie de energie de aproximativ 44%. Mai mult, E-MiLi este compatibil cu 92% din dispozitivele mobile. Dar există o problemă, ca întotdeauna: se bazează pe routerele fără fir cu firmware special pentru a funcționa.
Rich Shibley / Tendințe digitale
O altă idee cu care cercetătorii se gândesc este încărcarea rapidă. Acesta este un termen general care cuprinde totul, de la software optimizat la condensatori îmbunătățiți, dar conceptul este simplu: adaptoare de alimentare cu cicluri de încărcare foarte, foarte scurte. La mijlocul anului 2013, un student în vârstă de 18 ani a prezentat un supercondensator la Târgul de Știință și Inginerie Intel, capabil să încarce bateria unui smartphone în 30 de secunde. Difuzorul Blueshift Bamboo, care funcționează pe un principiu similar, se poate încărca în câteva minute și poate dura șase ore.
Unele încărcătoare suplimentare sunt mult mai nebunești. Un smartphone de lux realizat de Tag Heuer are straturi fotovoltaice care își reîncarcă bateria din lumina soarelui. Cercetătorii de la UC San Diego au creat un „tatuaj cu baterie” temporar încărcat de transpirație. Și oamenii de știință de la Nokia și de la Universitatea Queen Mary din Londra lucrează în prezent la „nanogeneratoare” concepute pentru a genera electricitate din sunete precum vocile umane, traficul și muzica.
Unele îmbunătățiri ale bateriei se întâmplă deja
Pe măsură ce noile modele de baterii își continuă pasul inexorabil, dar letargic, spre comercializare, companiile de electronice și software se află în aceeași poziție în ultimii 23 de ani: trebuie să se confrunte cu limitele unei tehnologii învechite. Unii au avut mai mult succes decât alții în tratarea simptomelor - LG a implementat un design stratificat de ioni de litiu în G2, de exemplu, că a pretins capacitatea crescută cu 16% - dar atâta timp cât cauzele capacității scăzute și a longevității slabe nu sunt abordate, nu se va schimba mare lucru.
Realitatea nefericită este că, cu excepția încărcătoarelor externe și a bateriilor de la terți, există cu adevărat nu este o alternativă bună la bateriile litiu-ion încă; majoritatea cercetărilor rămân în stadiul de prototip, soluțiile intermediare și aftermarket nu sunt atât de practice - următorul dvs. smartphone nu este chiar atât de probabil să poarte un panou solar sau un software Wi-Fi de economisire a energiei sau nanogeneratori.
Nu există niciun glonț de argint în problemele litiu-ion din industria bateriilor, dar am văzut unele descoperiri din instituții precum Universitatea Tehnologică Nangyang, unde cercetătorii au dezvoltat un anod cu dioxid de titan cu încărcare rapidă. Dezvoltarea alternativelor se accelerează, de asemenea. În aprilie, oamenii de știință de la NASA au licențiat tehnologia care poate transforma căldura din evacuările auto în electricitate utilizabilă, iar cercetătorii companiei japoneze Fuji Pigment au făcut pași spre comercializarea tehnologiei aluminiu-aer, baterii cu o capacitate teoretică de 40 de ori mai mare decât litiu-ion .
Mai dă-i câțiva ani
Sigur, bateriile litiu-ion au avantajele lor: sunt ieftine, ușor de fabricat și relativ stabile. Dar sunt și uriașe și nu durează mult. Nu este o surpriză că există foamea de alternative și, deși niciunul nu este cu adevărat aici, există motive să fim plini de speranță. Mai mulți cercetători abordează „problema litiu-ion” decât oricând. Unele modele alternative de baterii se apropie de comercializare. Iar câteva dintre jumătățile de măsură nu sunt pe jumătate rele între timp - QuickCharge-ul Qualcomm, așa-numita tehnologie de încărcare rapidă încorporată în unele smartphone-uri, accelerează dramatic încărcarea.
Este adevărat că mușchiul de ioni de litiu nu a sosit deloc, dar este mai aproape decât a fost vreodată. Nu este nerezonabil să se proiecteze că, în cinci sau mai puțini ani, smartphone-urile care durează mai puțin de câteva zile cu o singură încărcare vor părea preistorice pozitiv (fără intenții de joc).
