Aküler, akıllı ürünler için hayal gücümüzü sınırlıyor
İster en son Huawei P30 ister benim Nokia 3310'um olsun, tamamen öldüklerinde aynı tuğla olacaklar.
Her gün bir cep telefonu şarj etmek zaten bir yaşam alışkanlığıdır.Bu eylemsizlik eyleminin arkasında, aslında akıllı donanım ürünlerinin gelişme hızına ayak uyduramayan pil teknolojisinin bir tezahürü vardır.
Elektrikli araçta tek pil paketi
Aslında, lityum iyon pillerin büyük ölçekli ticari uygulamalarının geçmişi uzun değildir. Donanım ürünlerinde lityum iyon pillerin ilk patlamasından sadece 30 yıl uzaktayız ve bu trajediye neden olan "lityum dendritler" pil geliştiricileri için hala bir kabustur.
Uzun ömür sağlamak için yavaş şarj, hızlı şarj süresi kazandıran lityum pil
Cep telefonundan masaüstündeki bilgisayara, yolda çalışan elektrikli otomobile, lityum iyon piller çoğu akıllı elektronik cihazın güç kaynağıdır.
Lityum iyon pil nasıl çalışır?
Lityum iyon pil, elektronik cihazlarda en çok kullanılan pildir. Bu, "lityum" un metal özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Yoğunluk 0,534 g / m3 kadar düşük ve atom kütlesi 6,9u kadar küçüktür. Bu nedenle çok hafif ve son derece Dış dünya ile kolayca reaksiyona giren bir metal.
Lityum pilin çalışma prensibi aşağıdaki gibidir:
Şarj işlemi, lityum iyonlarının pozitif elektrottan negatif elektrota hareket etmesidir ve deşarj işlemi, lityum iyonlarının pozitif elektrota geri dönmesidir. Lityum iyonları, bir kimyasal reaksiyon sürecinde elektrik sağlamak için elektrik akımı oluşturan, elektrik yükü taşıyan küçük bir araba olarak görülebilir.
Pilin hızlı şarj edilmesi, lityum iyonlarının hareketini hızlandırmak içindir. Bu etkiyi elde etmek için, sadece şarj voltajını uygun şekilde değiştirmek değil, aynı zamanda lityum iyonlarının, yani elektrolitin hareket ettiği yolu iyileştirmek de gereklidir.
Pilin önemli bir göstergesi, şu şekilde anlaşılabilecek "enerji yoğunluğu" dur:
Bir kilogram malzeme için taşınabilecek maksimum enerji miktarı.
Bir şarj döngüsü, resim Apple'ın resmi web sitesinin lityum-iyon pil tanıtım sayfasından geliyor
Diğer bir yaygın gösterge, genellikle pillerde veya elektronik cihazlarda işaretlenen pil kapasitesidir. Bir pilin boşalmış gücü, pil kapasitesinin% 100'üne ulaştığında, şarj döngüsü tamamlanır. Belirli sayıda şarj ve deşarj döngüsünden sonra her tür pilin kapasitesi azalacaktır.
Pil ömrünü kısaltma işlemi "lityum dendritler" ile ilgilidir. Lityum iyonu küçük bir araba olarak görüyoruz, ancak bu filolar gidiş-dönüş şarj etme ve boşaltma sürecinde düzenli ve düzenli değil.
Lityum dendritler
Dışarı çıktıklarında garaja çarpacaklar (yapısal değişikliklere neden olacaklar) ve garaja döndüklerinde birkaç araba garaj kapısını tıkayacak ve trafik sıkışıklığına neden olacak. Ejderha belirli bir uzunluğa ulaştığında, Pil kısa devre yaptı ve patladı. Bu araba ejderhası "lityum dendrit" dir Günümüzün araba ejderhası, yalnızca teknolojik ilerleme nedeniyle hala var.
Sony, lityum pillerin ticari tarihinde bir kilometre taşıdır
Tüketici elektroniği ürünlerinin yükselmeye başladığı çağda, üreticilerin acilen hafif, büyük kapasiteli ve geri dönüştürülebilir bir pile ihtiyacı vardı. Bu aciliyet, pil üreticilerinin ve ürün üreticilerinin "lityum dendritlerin" zararını görmezden gelmesine neden oldu.
Bu, lityum pil üreticileri-Kanadalı Moli Energy şirketinin şehitleri ile ilgili. Şirket 1985 yılında 100 Wh / kg'dan fazla enerji yoğunluğuna sahip AA tipi bir lityum pili piyasaya sürdü ve o zamanlar en sıcak kızarmış tavuk oldu ve 1989'da ikinci nesil lityum pil ürününü piyasaya sürdü.
Bu şirket tarafından üretilen lityum pil ilk olarak ünlü bir Japon bilgisayar ekipmanı üreticisi olan NEC'in bilgisayarlarında ve bir Japon telefon ve telefon şirketi olan NTT'nin telefonlarında kullanıldı. Trajedi, yeni pili kullanan ürünün 1989 baharında piyasaya sürülmesinden sonra, ürünün tutuşup patladığı bir güvenlik kazasıdır.
Elektronik ürünler yanıcı ve patlayıcı tehlikeli mallara dönüştü ve o dönemde Japonya'da paniğe neden oldu. Son olarak Moli Energy, satılan tüm ürünlerin geri çağrıldığını duyurmak ve mağdurlara tazminat ödemek zorunda kaldı. 1989'un sonunda Moli Energy iflas ettiğinde NEC tarafından satın alındı.
NEC, pil işini 2017'de sattı. Fotoğraf: Sina Technology
NEC, Moli Energy'nin orijinal üretim yöntemine göre 500.000 hücre üretti ve her birini kusurlara karşı denetledi. Daha sonra bu piller pillere takıldı ve cep telefonuna takıldı 5.000 şarj ve deşarj döngüsünü gerçekleştirmek yaklaşık bir buçuk yıl sürdü.
Bu büyük ölçekli testte NEC, pil kapasitesindeki keskin düşüşten patlamaya kadar neredeyse tüm cep telefonu pillerinin arızalandığını buldu. Bu kadar trajik sonuçlarla karşılaşan NEC, yalnızca lityum metali şarj edilebilir pil olarak negatif elektrot olarak kullanmanın teknik çözümünün kalıcı olarak terk edildiğini duyurabilir.
Sony'nin pil işi de 2017'de satıldı
Sony, şarj edilebilir piller geliştirmek için 1980'lerden beri Japon petrokimya devi Asahi Chemical ile işbirliği yapıyor. Sony, pil endüstrisinde bir dönüm noktası olan ilk ticari lityum iyon pilini piyasaya sürdüğünü Şubat 1990'a kadar duyurdu.
Sonynin "18650 silindirik pili", orijinal olarak 1000-1300 mAh pil kapasitesi ile CCD-TR18mm video kaydedici için tasarlanmış ve üretilmiştir. Sony, bu pil teknolojisi ile tüketici elektroniği alanında bir atılım yaptı ve küresel pil pazarının en popüler tedarikçilerinden biri haline geldi.
Ancak 1995 yılında, Sony'nin Japonya'nın Fukushima kentindeki lityum iyon pil fabrikasında bir yangın çıktı. 1 milyondan fazla pil yandı ve bu da toplumda bir kez daha paniğe neden oldu.
İncelemeden sonra pil fabrikasında çıkan yangının nedeni, pilin eskimesi ve doldurma ve boşaltma laboratuvarındaki tepsi malzemelerinin alev geciktiriciliğinin olmaması, kazara kıvılcımların hızla yayılmasına ve taşma sonrasında fabrikayı tutuşturmasına neden oldu. Laboratuar tepsi malzemelerinin kabul edilemez olmasının nedeni fabrikanın maliyetleri düşürmek istemesidir.
Daha sonra, Tokyo İtfaiye Departmanı ile zorlu görüşmelerin ardından Sony, lityum iyon pillerin tehlikeli mal olarak sınıflandırılmasına izin vermedi. Bundan sonra Sony, pil fabrikası için daha katı güvenlik testleri ve önlemler oluşturdu.
Akupunktur testinin şematik diyagramı
Bu, tam dolu bir pilin düz bir yüzeye yerleştirildiği ve pilin 3 mm çapında çelik bir iğne ile radyal olarak delindiği bir "iğne delme testi" ni içerir. Test pili tutuşmazsa veya patlamazsa, testin başarılı olduğu kabul edilir.
"İğne testini" geçme teknolojisi çok zordur ve test Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) pil testi standartlarına dahil değildir. Bu yılın Mart ayı başlarında, Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı, "Elektrikli Araçlar için Güç Pilleri için Güvenlik Gereklilikleri" ve otomotiv endüstrisi için diğer üç zorunlu ulusal standardı yayınladı ve "akupunktur testi" de iptal edildi.
Ancak piller tarafından kötüye kullanılan Sony, pil işini 2017 yılında sattı.
Örnek olarak elektrikli araçları ele alırsak, akülerle ilgili üç sorun
Tesla Süper Akü Fabrikası İçinde
Lityum pillerin resmi büyük ölçekli ticari kullanımına 30 yıldan daha az bir süre kaldı. Şu anda en popüler lityum piller lityum iyon pillerdir. İstatistikler, lityum iyon pillerin performansının ve fiyat değişiminin yavaşladığını ve bu eğilimin gelecekte elektrikli araçların seri üretimini etkilemesi muhtemel olduğunu gösteriyor.
Uzun yıllardır pil araştırma ve geliştirme ile uğraşan bir teknisyen olan Tiger, Ai Faner'e bu aşamada pilin teknik darboğazının temelde üç yönden olduğunu söyledi: enerji yoğunluğu, çevrim ömrü ve sıcaklık özellikleri.
Başka bir açıdan bakıldığında, elektrikli araçlarda pillerin karşılaştığı üç ana sorun vardır:
- Kilometre kaygısı
- güvenli soru
- Maliyet sorunları.
Her şeyden önce, "kilometre kaygısı", lityum iyon pillerin enerji yoğunluğu ile ilgilidir. Lityumun teorik sınır enerji yoğunluğu 14000Wh / kg'dır.Lityum piller genellikle pozitif ve negatif malzemelerin etkisiyle birlikte diğer maddelerle katkılı olduğundan, şu anda endüstride üretilen lityum pillerin enerji yoğunluğu genellikle 150-300Wh / Kg'dır. .
Kullanım sırasında pil malzemelerinin kararlılığını göz önünde bulundurma ihtiyacı nedeniyle, Tesla gibi yalnızca birkaç üretici 300 Wh / Kg pil üretim teknolojisinde çığır açabilmektedir.
Son 20 yılda, ticari pillerin araştırma ve geliştirilmesinde temelde büyük bir gelişme olmadı.Kimyasal piller alanında, insanlar "lityum" un yerini alabilecek yeni malzemeler bulamazlarsa, temelde pil enerji yoğunluğunda bir atılım umudu yoktur.
Diğer bir deyişle, cep telefonları, dronlar ve elektrikli araçlar dahil olmak üzere lityum pilleri uzun süre kullanan akıllı ürünler için tek pil ömrü yine de önemli ölçüde sınırlı olacaktır. Şarj verimliliğini ve çözmenin diğer yollarını hızlandırın.
İkincisi, güvenlik sorunudur.
Samsung Note 7 cep telefonuna pil patlaması nedeniyle sivil havacılık tarafından ambargo uygulandı
Batarya hala yanıcı ve patlayıcı olan kırılgan bir şeydir.Bunun tezahürlerinden biri, bataryanın kontrol edilememesi ve sadece uçarken yanınızda taşınabilmesidir.
Benzinli bir araç alev aldığında insanların kaçmak için çoğu zaman vakti olur, ancak elektrikli bir aracın aküsü alev alırsa neredeyse anında ateşe batar ve araçta insanların hayatta kalma olasılığı benzinli bir araçtan çok daha düşüktür.
Ayrıca yüksek sıcaklıklarda pilin içindeki kimyasal maddeler kolaylıkla ayrışarak yangına neden olur. Bir pil çarpışması da kısa devre yapabilir ve alev alabilir.
Üçüncüsü, lityum iyon pillerin maliyetidir.
Lityum iyon pili kullanımda daha kararlı ve güvenli hale getirmek için, pilin sıcaklık özelliklerini iyileştirmek ve pil hızını artırmak için pile çeşitli kimyasal maddeler eklenir. Bu maddeler kobalt, nikel ve diğer nadir metalleri içerir.
Cevher madenciliğinin zorluğu ve fiyatı, resim: nature.com
Bu nadir metallerin yeryüzündeki rezervleri çok sınırlı ve madenciliğin zorluğu görece yüksek Elektrikli araç akülerine olan talebin artmasıyla nadir metal hammaddelerinin fiyatları da yükseliyor.
Bazı netizenler Model 3 pilini söktü
"Nature" dergisi, 2025 yılına kadar dünyanın her yıl 10-20 milyon elektrikli araç üreteceği tahmin edildiğini hesapladı.Her elektrikli aracın aküsüne göre 10 kilogram kobalt, ardından elektrikli araç sektörünün her yıl 100.000-200.000 ton kobalt ihtiyacı olacak. . Ancak bu talep halihazırda mevcut dünya kobalt üretiminin büyük bir bölümünü oluşturmaktadır.
Lityum iyon pillerin çok fazla dezavantajı var ve pil teknolojisi temelde son yirmi yılda yavaş ilerliyor. Nature dergisinin tahmini:
Lityum pil devriminden sadece 10 yıl uzaktayız.Pil araştırma ve geliştirme zaman alıcıdır ve kullanılabilecek tüm yeni teknolojiler kullanımdadır
Pil araştırma ve geliştirme, zaman alan bir iştir. Örneğin, bataryanın belirli bir kısmı Ar-Ge personeli tarafından iyileştirilirse, etkiyi doğrulamak için çok sayıda şarj ve deşarj deneyi gerekir.
Her şarj ve deşarj zaman ve kaynak gerektirir. Pil geliştiricilerinin kalan pil şarj ve deşarj sürelerini daha iyi tahmin etmelerine olanak sağlamak için Stanford Üniversitesi, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ve Toyota Araştırma Enstitüsü ortaklaşa pil performansını ve ömrünü tahmin etmek için kullanılabilecek bir yapay zeka oluşturdu.
Bu algoritma, yüz milyonlarca pil şarjı ve deşarjının verilerini öğrenir, böylece% 95 doğruluk oranıyla beş şarj ve deşarj döngüsü için tek bir pilin verilerini topladıktan sonra kalan pil ömrünü tahmin edebilir. Bu yapay zeka teknolojisinin, üreticilerin pil geliştirme sürecini hızlandırmasına yardımcı olması bekleniyor.
Pili bu şekilde değiştirmesi gereken cep telefonu sayısı yavaş yavaş azalıyor
Modern zamanların en büyük icatlarından biri olan lityum iyon pil, birçok elektronik ürünün sürekli çalışma şeklini elektrik enerjisi elde edecek şekilde değiştirmiş, onları mobil ve taşınabilir hale getirmiş, bu da tüketici elektroniği ürünlerini günlük kullanım şeklimizi etkilemiştir. Batarya teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, cep telefonundaki bataryanın artık kademeli olarak değiştirilmesi gerekmiyor ve dışarı çıkarken bir güç bankası getirilmesi elbette gündeme geldi.
Şimdilik, lityum iyon pillerin birçok eksikliği olmasına rağmen, tüketici elektroniği için hala en iyi ve hatta tek seçenektir.
Geçmişte pek çok elektronik ürün alkalin kuru piller ve düğme pillerle çalıştırılıyordu.O dönemdeki kullanıcılar, ürünlerin yüksek performanslı lityum iyon pillerle nasıl görüneceğini hayal edememiş olabilirler.
Günümüzde kullandığımız elektronik ürünler de batarya teknolojisinin yavaş gelişmesiyle kısıtlanıyor.Bir iPhone'un tek şarjla bir hafta boyunca normal olarak kullanılabileceği bir senaryo hayal etmemiş olabilirsiniz. Bu tür cep telefonlarının çılgınca satılacağını düşünüyorum.
