Martin Abegglen / Flickr Record povpraševanje po zunanjih polnilcih je ena od manifestacij želje po pripomočkih, ki lahko zdržijo tudi več dni, in kakšna močna želja je to: leta 2012 je raziskava JD Power and Associates pokazala, da življenjska doba baterije bolj kot katera koli druga funkcija, prispevala k nezadovoljstvu kupcev pametnih telefonov. Danes se to verjetno ne bi spremenilo, ko lahko povprečni pametni telefon brska po spletu le približno 8 ur, preden umre ... v omrežju Wi-Fi.
Sprva se zdi, da je krivda proizvajalcev pametnih telefonov. Lahko bi domnevali, da baterije, ki napajajo vodilne proizvajalce Samsung, LG, Motorola itd., Izberejo ustrezni inženirji. Resnica pa je bolj niansirana: litij-ionske baterije v skoraj vseh napravah se danes niso korenito spremenile, odkar so izšle pred 23 leti. Ta dolgotrajna stagnacija je podjetja prisilila k kompromisom glede velikosti pametnega telefona, življenjske dobe baterije ali obojega. Naprava, kot je telefon, je lahko tanka ali pa ima baterijo primerno življenjsko dobo.
Kako smo torej točno prišli do te točke in kam gremo? Izboljšane zasnove baterij ležijo na obzorju, a bodo sploh kdaj na trgu? Ali ima katera nova tehnologija baterij resnično priložnost, da konča naše zanašanje na litij-ionske in ali bodo druge rešitve medtem pomagale, da bodo današnje baterije znosne? Prizadevali smo si, da bi to ugotovili.
Kako delujejo baterije
Prve litij-ionske baterije za polnjenje so bile eksplozivne. Dobesedno. Sony in kemično podjetje Asashi Kasei so se tega naučili na težji način, ko je leta 1991 prva komercialna litijeva baterija na kovinski osnovi zgorela skozi mobilni telefon in človeku povzročila opekline.
Litij-ionske baterije v skoraj vseh napravah se danes niso korenito spremenile, odkar so izšle pred 23 leti.
To pa ni preprečilo, da bi litij-ionske celice postale prevladujoči vir energije v prenosnih napravah. Razlog? Za enega so veliko bolj energijsko gosti kot drugi, vendar tudi razmeroma brez vzdrževanja. Za razliko od drugih baterij ne potrebujejo praznjenja, nimajo pomnilnika, ne povzročajo kopičenja sulfacij, ki ubijajo celice, in vsebujejo manj strupenih kovin kot večina drugih baterij. Litij-ionske baterije so preprosto povedano ena najbolj vsestranskih serijsko proizvedenih baterij.
Vendar so omejeni na druge načine, predvsem na gostoto energije. Razlog, ki ga je v intervjuju za CNET povedal podpredsednik za trženje pri Leyden Energy Noam Kedem, je v tem, da "[v] volumetrična gostota energije pade, ko se [litijeve ionske celice] tanjšajo, ker embalaža zavzema večji odstotek prostornine energije." Kaj to pomeni za povprečnega potrošnika? Če želite dolgo življenjsko dobo baterije, boste morali popustiti glede velikosti.
Vzemimo ta primer: Nokia Lumia 1520 lahko zdrži do 107 ur polnjenja, vendar meri 6,4 palca v širino - velikost fableta. 6,34-palčni Huawei Ascend Mate2 4G zdrži približno enako. Edini manjši telefon, ki se drži na področju velikanov, je Xperia Z3 Compact, ki mu na dober dan uspe izkusiti 101 uro. Toda za dosego tega podviga so se Sonyjevi oblikovalci morali odločiti za zaslon 720p, kar je izjemna specifikacija pametnega telefona po ceni 630 USD.
Sony Xperia Z3 Compact Resnično razočaranje je, da tudi tiste velike baterije ne bodo zdržale prav dolgo. Apple baterijo iPhona oceni na 80 odstotkov zmogljivosti za 50 polnjenj, kar ob predpostavki, da telefon polnite enkrat na noč, znaša približno leto in pol.
Poleg teh omejitev je še vprašanje varnosti. Današnje litij-ionske baterije morda niso tako nevarne kot nekoč kovinske konstrukcije, toda topa sila lahko kljub temu povzroči kratek stik, razpad ali izpust škodljivega plina. Napake so redke, rezultati pa so lahko dramatični - pred dvema letoma preboden akumulator je Tesla Model S zagorelo, virusni video pa ponazarja, kaj se lahko zgodi, ko s kladivom udarite v baterijo Samsung Galaxy S5.
Glede na nešteto težav ni presenetljivo, da tako potrošniki kot proizvajalci naprav močno želijo manjše, gostejše in varnejše alternative. Preiskava na tej strani je obetavna, vendar se izkaže, da trik niso nujno raziskave, temveč prilagajanje modelov za množično proizvodnjo. Zmanjšanje stroškov, povezanih s proizvodnjo, in doseganje učinkovitosti sta pogosto najtežji del pri prodaji novih baterij.
Baterije prihodnosti prihajajo počasi
Prihajajo boljše baterije, nekatere pa izhajajo iz idej v preteklosti. Vzemimo za primer raziskave na univerzi v Stanfordu. Prve zasnove litijevih baterij so vsebovale litijeve anode, ki so se hitro pokazale za neučinkovite in nevarne, vendar so znanstveniki s Stanforda te težave nedavno rešili tako, da so litij izolirali iz elektrolita s posebno zaščitno plastjo ogljikovih nanostruktur. Rezultat je podvojitev, morda potrojitev življenjske dobe baterije.
Baterije iz peska imajo kar trikrat večjo zmogljivost in življenjsko dobo kot tradicionalne baterije.
Čista litijeva baterija je domnevni naslednik današnjih baterij - inženirski vodja projekta Stanford Yi Cui pravi, da ima material "največji" potencial od vseh materialov, ki jih je mogoče uporabiti kot anode. Toda proizvodnja je težava: zasnova ekipe iz Stanforda še ni dosegla zahtevanega industrijskega praga za učinkovitost (99,9 odstotka) za komercializacijo, tudi če se to zgodi, bi lahko zapletenost izdelave povzročila visoko ceno - nekje v območju od 25.000 dolarjev za akumulator velikosti vozila, je za Phys.org povedal minister za energijo Steven Chu.
Zato so se znanstveniki z univerze v Kaliforniji Riverside obrnili na pesek. Zbrali so zrnca z visokim odstotkom kremena, jih zmleli s soljo in magnezijem ter na koncu segreli, da so odstranili kisik in ekstrahirali čisti silicij. Končni material ima kar trikrat večjo zmogljivost kot življenjsko dobo tradicionalnih baterij.
Toda tudi baterije iz peska za prenosnike v naših žepih še niso izvedljive. Raziskovalci še niso odkrili metode pridobivanja silicijevega peska v obsegu; doslej največja baterija, ki so jo izdelali, je velikosti majhnega kovanca.
Kang Shin in Xinyu Zhang Tržna ovira za nove modele je tako huda, da so podjetja za naprave, kot so Apple, Google in Dyson, začela neposredno sodelovati z akumulatorji, da bi pospešila razvoj. A ker ni bilo nobenega pomembnega preboja, so proizvajalci strojne in programske opreme razvili lastne rešitve, da bi rešili našo močno željo po dolgotrajnejših pametnih telefonih, tabličnih računalnikih, električnih avtomobilih in prenosnih računalnikih.
Eden od vzrokov hitrega izpraznitve baterije je Wi-Fi - sodobni prenosniki neprestano spremljajo bližnji brezžični promet, porabljajo veliko energije za pregled paketov in iščejo jasne kanale v okoljih, polnih motečih signalov. Profesor računalništva in inženirstva Univerze v Michiganu Kang Shin in doktorski študent Xinyu Zhang sta prišla do rešitve, ki ji pravita, da v prostem teku posluša energijo (E-MiLi).
E-MiLi prihrani energijo tako, da upočasni notranji brezžični čip, medtem ko Wi-Fi ni v uporabi, kar po mnenju Shin in Zhang v povprečju prihrani približno 44 odstotkov. Poleg tega je E-MiLi združljiv z 92 odstotki mobilnih naprav. A kot vedno se najde tudi ulov: za delo temelji na brezžičnih usmerjevalnikih s posebno vdelano programsko opremo.
Rich Shibley / Digital Trends
Druga ideja, s katero raziskovalci razmišljajo, je hitro polnjenje. To je krovni izraz, ki zajema vse, od optimizirane programske opreme do okrepljenih kondenzatorjev, vendar je koncept preprost: napajalniki z zelo, zelo kratkimi cikli polnjenja. Sredi leta 2013 je 18-letni študent na Intelovem sejmu znanosti in inženiringa predstavil superkondenzator, ki lahko v 30 sekundah napolni baterijo pametnega telefona. Zvočnik Blueshift Bamboo, ki deluje po podobnem principu, se lahko napolni v nekaj minutah in zdrži šest ur.
Nekateri dodatni polnilniki so precej bolj nori. Luksuzni pametni telefon znamke Tag Heuer ima fotovoltaične sloje, ki polnijo baterijo pred sončno svetlobo. Raziskovalci iz UC San Diego so ustvarili začasno "tetovažo baterije", ki jo polni znoj. Znanstveniki pri Nokiji in na londonski univerzi Queen Mary trenutno delajo na "nanogeneratorjih", namenjenih za proizvodnjo električne energije iz zvokov, kot so človeški glasovi, promet in glasba.
Nekatere izboljšave baterije se že dogajajo
Ko se novi modeli baterij nadaljujejo s svojim neizprosnim, a letargičnim zagonom v smeri komercializacije, se elektronska in programska podjetja znajdejo v skoraj enakem položaju kot v zadnjih 23 letih: premagati morajo omejitve zastarele tehnologije. Nekateri so bili pri zdravljenju simptomov uspešnejši od drugih - LG je na primer v G2 uporabil večplastno litij-ionsko zasnovo, za katero je trdil, da je povečala zmogljivost za 16 odstotkov - vendar dokler vzroki za majhno zmogljivost in slabo življenjsko dobo niso obravnavani, ne bo se veliko spremenilo.
Žalostna resničnost je taka, da z izjemo zunanjih polnilnikov in baterij drugih proizvajalcev res obstaja ni dobra alternativa litij-ionskim baterijam; večina raziskav ostaja v fazi prototipa, začasne in poprodajne rešitve niso tako praktične - vaš naslednji pametni telefon v resnici ne bo verjetno imel sončne celice, varčne programske opreme Wi-Fi ali nanogeneratorjev.
Trenutno na litij-ionskih težavah v industriji akumulatorjev ni nobene srebrne krogle, vendar smo opazili nekaj prebojev iz institucij, kot je Nangyang Technological University, kjer so raziskovalci razvili hitro polnilno anodo iz titanovega dioksida. Pospešuje se tudi razvoj alternativ. Aprila so znanstveniki pri NASA licencirali tehnologijo, ki lahko toploto iz izpuhov avtomobilov pretvori v uporabno elektriko, raziskovalci japonskega podjetja Fuji Pigment pa so naredili korake k komercializaciji tehnologije aluminij-zrak, baterij s teoretično zmogljivostjo 40-krat večjo od litij-ionskih .
Daj še nekaj let
Seveda imajo litij-ionske baterije prednosti: so poceni, enostavne za izdelavo in razmeroma stabilne. So pa tudi ogromni in ne trajajo dolgo. Ni presenetljivo, da je lakota po alternativah in čeprav nobene v resnici še ni, obstaja razlog za upanje. Več raziskovalcev se spopada z "litij-ionskim problemom" kot kdaj koli prej. Tudi nekateri alternativni modeli baterij se približujejo komercializaciji. In nekaj polovičnih ukrepov medtem ni pol slabih - Qualcommov QuickCharge, tako imenovana tehnologija hitrega polnjenja, vgrajena v nekatere pametne telefone, dramatično pospeši polnjenje.
Res je, da litij-ionski smrtni zvon še ni povsem prispel, vendar je bližje kot kdaj koli prej. Ni nerazumno predvidevati, da se bodo v petih ali manj letih pametni telefoni, ki trajajo manj kot nekaj dni z enim polnjenjem, zdeli pozitivno (brez namena igre) prazgodovinski.
