211service.com
Veiligere, duurzamere batterijen
Hoewel recente massale terugroepacties de veiligheidsproblemen van lithium-ionbatterijen hebben benadrukt, hebben de huidige batterijtechnologieën eigenlijk een aantal zwakke punten. Als ze beschadigd, overladen of oververhit raken, kunnen batterijen exploderen (zie Veiligere lithium-ionbatterijen). Maar ze lekken ook energie en verliezen kracht en levensduur als ze worden gebruikt bij extreme temperaturen, bijvoorbeeld op een winterdag in Iowa of een hittegolf in Arizona.
Dunne-filmbatterijen met een lange levensduur kunnen medische implantaten en sensoren op afstand tientallen jaren van stroom voorzien en uiteindelijk in elektrische voertuigen worden gebruikt.
Binnenkort komt er een nieuw type oplaadbare batterij in de handel die deze problemen oplost. Maar tegen een vergoeding.
Deze nieuwe batterijen vervangen de vloeibare of gelelektrolyt door dunne lagen vaste glasachtige of polymeermaterialen, die stabieler zijn. Niets kan lekken, niets kan bevriezen, niets kan koken, scheuren of exploderen, zegt Tim Bradow, vice-president bedrijfsontwikkeling bij Infinite Power Solutions van Golden, CO, een toonaangevende ontwikkelaar van dunnefilmbatterijen.
In een batterij zorgt de elektrolyt ervoor dat positieve ionen van de ene elektrode naar de andere gaan, terwijl elektronen gedwongen worden door een extern circuit te reizen, waardoor stroom wordt geleverd. Het bedrijf van Bradow en een handvol anderen gebruiken een stevige glasachtige elektrolyt, die ze afzetten als een van een reeks platte lagen waaruit de batterij bestaat.
Dit solide materiaal is niet alleen veiliger, maar stelt ontwikkelaars ook in staat om elektroden van puur lithiummetaal te gebruiken, wat de opslagcapaciteit aanzienlijk kan vergroten. De batterijen zijn bestand tegen extreme kou en hitte, wat betekent dat ze bijvoorbeeld in rubberen banden kunnen worden ingebouwd om luchtdruksensoren van stroom te voorzien, zegt John Bates, technisch directeur van Oak Ridge Micro-Energy in Tennessee.
Dunne-filmcellen kunnen ook tientallen jaren worden opgeslagen en behouden bijna al hun lading, zeggen ontwikkelaars, en leveren een krachtige uitbarsting van energie wanneer het eindelijk nodig is. En in veel toepassingen kunnen ze tientallen jaren actief worden gebruikt, omdat ze tienduizenden keren kunnen worden opgeladen en ontladen.
Deze eigenschappen maken dunnefilmbatterijen ideaal voor een aantal nieuwe technologieën. Sensoren op afstand die kleine hoeveelheden energie opvangen uit trillingen, radiotransmissies of licht, hebben batterijen nodig die deze micro-energietoevoer kunnen opslaan zonder deze na verloop van tijd weg te lekken. En sensoren op afstand hebben de krachtige bursts nodig die veel van deze cellen kunnen leveren, om gegevens via radiosignalen naar een centraal station te sturen.
De mogelijkheid om radiotransmissie aan te sturen is ook belangrijk voor toekomstige medische implantaten die medicijnen zullen afgeven of glucosespiegels zullen meten. En deze toepassingen zullen ook profiteren van de lange levensduur van de batterijen; ze kunnen gedurende vele jaren worden opgeladen en ontladen, waardoor er geen operatie nodig is om ze te vervangen. Het is het perfecte soort batterij om elk RF-apparaat van stroom te voorzien, omdat het pulsvermogen heeft - onmiddellijk aan en dan gaat het in de slaapstand, zegt Bradow. Dat is waar onze batterij van houdt en waar andere batterijen een hekel aan hebben. Zijn bedrijf is van plan om volgend jaar te beginnen met de massaproductie van zijn batterijen.
Desalniettemin zijn dunne-filmbatterijen misschien niet de keuze van de volgende generatie voor de meeste laptops. Dat komt omdat de processen die worden gebruikt om ze te maken, zoals fysieke dampafzetting, nog steeds te duur zijn om grote batterijen te produceren. Ook bevatten deze batterijen, die slechts een tiende van een millimeter dik kunnen zijn, elk slechts micro-hoeveelheden energie - slechts een duizendste van de hoeveelheid in de huidige laptopbatterijen. Hoewel ze kunnen worden gestapeld om voldoende opslagcapaciteit te bieden, zouden de verpakkingslagen die de actieve materialen in elke batterij scheiden, hun capaciteitsvoordelen tenietdoen. Dat wil zeggen, ze zouden waarschijnlijk meer kosten, maar niet noodzakelijkerwijs kleiner zijn.
De eerste toepassingen, zoals in industriële sensorpakketten in apparatuur voor hoge temperaturen of oliebronnen, zullen die zijn waarbij kopers bereid zijn $ 100 per stuk te betalen voor batterijen die aan hun behoeften voldoen. Bradow zegt dat hun batterijen in grote volumes voor veel minder kunnen worden gemaakt, maar dat ze uiteindelijk praktisch worden voor gedistribueerde sensornetwerken.
Ondanks de huidige nadelen van dunne-filmbatterijen, zegt Donald Sadoway, hoogleraar materiaalchemie aan het MIT, dat sommige versies ervan in de toekomst laptops en elektrische voertuigen zullen aandrijven. Volgens hem is hun belangrijkste voordeel, naast veiligheid, dat ze het gebruik van puur lithium in een van de elektroden mogelijk maken, wat niet mogelijk is met vloeibare elektrolyten: als je kunt overschakelen op lithium, heb je het ultieme bereikt in anodecapaciteit, zegt hij.
In tegenstelling tot het glasachtige elektrolyt dat door Infinite Power Solutions en anderen wordt gebruikt, heeft Sadoway een vast-polymeer elektrolyt ontwikkeld (de huidige lithium-ion-polymeerbatterijen gebruiken een gel) voor gebruik in dunnefilmbatterijen. Deze elektrolyt, zegt hij, kan worden verwerkt in rollen zoals krantenpapier of een ander proces met hoge doorvoer. Een dergelijk proces voor dunne-filmbatterijen, hoewel het momenteel niet door de industrie wordt ontwikkeld, zou de kosten kunnen drukken, zegt hij, terwijl innovatieve manieren om elektroden te verpakken de grootte kunnen verkleinen. We hebben in het laboratorium batterijen gemaakt van 300 wattuur per kilogram, zegt hij. Dat is twee keer de beste lithium-ion [batterij] die momenteel op de markt is.