Sikrere batterier med længere levetid

Mens de seneste massive tilbagekaldelser har fremhævet sikkerhedsproblemerne ved lithium-ion-batterier, har nutidens batteriteknologier faktisk en række svagheder. Hvis batterierne er beskadigede, overopladede eller overophedede, kan de eksplodere (se sikrere lithium-ion-batterier). Men de lækker også energi og mister kraft og levetid, hvis de bruges i ekstreme temperaturer, f.eks. på en vinterdag i Iowa eller en hedebølge i Arizona.

Langtidsholdbare tyndfilmsbatterier kan drive medicinske implantater og fjernsensorer i årtier og i sidste ende blive brugt i elektriske køretøjer.

En ny type genopladeligt batteri vil snart være tilgængelig kommercielt, der løser disse problemer. Men til en pris.

Disse nye batterier erstatter den flydende eller gelelektrolyt med tynde lag af solide glaslignende eller polymermaterialer, som er mere stabile. Intet kan lække, intet kan fryse, intet kan koge, briste eller eksplodere, siger Tim Bradow, vicepræsident for forretningsudvikling hos Infinite Power Solutions i Golden, CO, en førende udvikler af tyndfilmsbatterier.

I et batteri tillader elektrolytten positive ioner at bevæge sig fra den ene elektrode til den anden, mens den tvinger elektroner til at rejse gennem et eksternt kredsløb, hvilket giver strøm. Bradows firma og en håndfuld andre bruger en solid glasagtig elektrolyt, som de afsætter som et af en række flade lag, der udgør batteriet.

Ud over at være sikrere giver dette solide materiale udviklere mulighed for at bruge elektroder af rent lithiummetal, som har potentialet til at øge lagerkapaciteten betydeligt. Batterierne kan overleve ekstrem kulde og varme, hvilket betyder, at de for eksempel kan indbygges i gummidæk for at drive lufttrykssensorer, siger John Bates, teknisk chef hos Oak Ridge Micro-Energy i Tennessee.

Tyndfilmsceller kan også opbevares i årtier og bevarer næsten al deres ladning, siger udviklere - og leverer et kraftigt udbrud af energi, når det endelig er nødvendigt. Og i mange applikationer kan de bruges aktivt i årtier, da de kan oplades og aflades titusindvis af gange.

Disse egenskaber gør tyndfilmsbatterier ideelle til nogle nye teknologier. Fjernsensorer, der fjerner små mængder energi fra vibrationer, radiotransmissioner eller lys, kræver batterier, der kan lagre denne mikroforsyning af energi uden at lække den væk over tid. Og fjernsensorer har brug for de højeffekt-bursts, som mange af disse celler kan levere, for at sende data via radiosignaler til en centralstation.

Evnen til at drive radiotransmission er også vigtig for fremtidige medicinske implantater, der vil levere medicin eller måle glukoseniveauer. Og disse applikationer vil også drage fordel af batteriernes lange levetid; de kan genoplades og aflades over mange år, hvilket eliminerer behovet for kirurgi for at erstatte dem. Det er den perfekte slags batteri til at forsyne enhver RF-enhed, fordi den er pulserende - øjeblikkelig tændt og derefter går den i dvaletilstand, siger Bradow. Det er det, vores batteri elsker og andre batterier hader. Hans virksomhed planlægger at begynde at masseproducere sine batterier næste år.

Ikke desto mindre er tyndfilmsbatterier muligvis ikke næste generations valg for de fleste bærbare computere. Det skyldes, at de processer, der bruges til at fremstille dem, såsom fysisk dampaflejring, stadig er for dyre til at producere store batterier. Disse batterier, som kun kan være en tiendedel af en millimeter tykke, rummer hver kun mikromængder energi - så lidt som en tusindedel af mængden i nutidens bærbare batterier. Selvom de kunne stables for at give tilstrækkelig lagerkapacitet, ville lagene af emballage, der adskiller de aktive materialer i hvert batteri, ophæve deres kapacitetsfordele. Det vil sige, at de sandsynligvis ville koste mere, men ikke nødvendigvis være mindre.

De første applikationer, såsom i industrielle sensorpakker i højtemperaturudstyr eller oliebrønde, vil være dem, hvor købere er villige til at betale $100 stykket for batterier, der opfylder deres behov. Bradow siger, at deres batterier kunne laves for meget mindre i høje mængder, hvilket dog i sidste ende gør dem praktiske til distribuerede sensornetværk.

På trods af de nuværende ulemper ved tyndfilmsbatterier siger Donald Sadoway, professor i materialekemi ved MIT, at nogle versioner af dem vil drive bærbare computere – og elektriske køretøjer – i fremtiden. Efter hans tankegang er deres vigtigste fordel, ud over sikkerheden, at de tillader brugen af ​​rent lithium i en af ​​elektroderne, hvilket ikke er muligt ved brug af flydende elektrolytter: Hvis du kan skifte til lithium, har du opnået det ultimative i anodekapacitet, siger han.

I modsætning til den glaslignende elektrolyt, der bruges af Infinite Power Solutions og andre, har Sadoway udviklet en solid-polymer elektrolyt (nutidens lithium-ion polymer batterier bruger en gel) til brug i tyndfilm batterier. Denne elektrolyt, siger han, kunne behandles i ruller som avispapir eller en anden høj-gennemstrømningsproces. En sådan proces til tyndfilmsbatterier, selv om den ikke nu er udviklet af industrien, kan reducere omkostningerne, siger han, mens innovative måder at emballere elektroder på kan reducere størrelsen. Vi har lavet batterier i laboratoriet, der er 300 watt-timer per kilo, siger han. Det er to gange det bedste lithium-ion [batteri] på markedet i dag.

skjule