É um paradoxo, mas apesar do tremendo caminho que a eletrônica percorreu nos últimos 30 anos, todos os dispositivos móveis ainda são equipados com baterias de íon de lítio, que entraram no mercado já em 1991, quando o CD player usual era o auge da engenharia em tecnologia portátil.
Muitas propriedades úteis de novas amostras em eletrônicos e gadgets são niveladas pelo tempo escasso de fornecimento de energia desses dispositivos a partir de uma bateria móvel. Sabão científico e inventores já teriam avançado há muito tempo, mas são mantidos pela "âncora" da bateria.
Vamos dar uma olhada em quais tecnologias podem transformar o mundo da eletrônica no futuro.
Primeiro, um pouco de história
Na maioria das vezes, as baterias de íon de lítio (Li-ion) são usadas em dispositivos móveis (laptops, telefones celulares, PDAs e outros). Isso se deve às suas vantagens sobre as baterias de níquel-hidreto metálico (Ni-MH) e de níquel-cádmio (Ni-Cd) amplamente utilizadas.
As baterias de íon-lítio têm parâmetros muito melhores. No entanto, deve-se ter em mente que as baterias Ni-Cd têm uma vantagem importante: a capacidade de fornecer altas correntes de descarga. Esta propriedade não é criticamente importante ao alimentar laptops ou telefones celulares (onde a participação de íon-lítio atinge 80% e sua participação está se tornando cada vez mais), mas existem alguns dispositivos que consomem altas correntes, por exemplo, todos os tipos de ferramentas elétricas, barbeadores elétricos, etc. P. Até agora, esses dispositivos eram quase exclusivamente domínio das baterias Ni-Cd. No entanto, atualmente, especialmente em relação à restrição do uso de cádmio de acordo com a diretiva RoHS, a pesquisa sobre a criação de baterias sem cádmio com uma alta corrente de descarga se intensificou.
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As células primárias ("baterias") com ânodo de lítio surgiram no início dos anos 70 do século 20 e rapidamente encontraram aplicação devido à sua alta energia específica e outras vantagens. Assim, o desejo de longa data de criar uma fonte de corrente química com o agente redutor mais ativo, um metal alcalino, foi realizado, o que tornou possível aumentar drasticamente a tensão de operação da bateria e sua energia específica. Se o desenvolvimento de células primárias com um ânodo de lítio foi coroado com um sucesso relativamente rápido e essas células tomaram seu lugar firmemente como fontes de energia para equipamentos portáteis, a criação de baterias de lítio enfrentou dificuldades fundamentais, que levaram mais de 20 anos para serem superadas.
Depois de muitos testes durante a década de 1980, descobriu-se que o problema das baterias de lítio está relacionado aos eletrodos de lítio. Mais precisamente, em torno da atividade do lítio: os processos que ocorrem durante a operação, ao final, levam a uma reação violenta, chamada de “ventilação com o lançamento de uma chama”. Em 1991, um grande número de baterias de lítio foi devolvido às fábricas, que foram usadas pela primeira vez como fonte de energia para telefones celulares. Motivo - durante uma conversa, quando o consumo de corrente é máximo, uma chama foi emitida da bateria, queimando o rosto do usuário do celular.
Devido à instabilidade inerente ao lítio metálico, especialmente durante o carregamento, a pesquisa mudou para o campo da criação de uma bateria sem o uso de Li, mas usando seus íons. Embora as baterias de íon de lítio forneçam uma densidade de energia marginalmente menor do que as baterias de lítio, as baterias de íon de lítio são seguras quando fornecidas com as condições corretas de carga e descarga. No entanto, eles não são imunes a explosões.
Nessa direção, também, enquanto tudo tenta se desenvolver e não fica parado. Por exemplo, cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang (Cingapura) desenvolveram um novo tipo de bateria de íon-lítio com desempenho recorde. Primeiro, ele carrega em 2 minutos a 70% de sua capacidade máxima. Em segundo lugar, a bateria tem funcionado quase sem degradação por mais de 20 anos.
O que podemos esperar a seguir?
Sódio
Segundo muitos pesquisadores, é esse metal alcalino que deve substituir o caro e raro lítio, que, além disso, é quimicamente ativo e perigoso para o fogo. O princípio de operação das baterias de sódio é semelhante ao do lítio - elas usam íons metálicos para transferir carga.
Por anos, cientistas de vários laboratórios e institutos lutaram com as desvantagens da tecnologia do sódio, como carregamento lento e correntes baixas. Alguns deles conseguiram resolver o problema. Por exemplo, as amostras de pré-produção de baterias BroadBit são carregadas em cinco minutos e têm uma vez e meia a duas vezes a capacidade. Depois de receber diversos prêmios na Europa, como o Innovation Radar Prize, o Eureka Innovest Award e vários outros, a empresa passou para a certificação, construção de fábricas e obtenção de patentes.
Grafeno
O grafeno é uma rede cristalina plana de átomos de carbono com um átomo de espessura. Graças à sua grande área de superfície em um volume compacto, capaz de armazenar carga, o grafeno é a solução ideal para a criação de supercapacitores compactos.
Já existem modelos experimentais com capacidade de até 10.000 Farads! Esse supercapacitor foi criado pela Sunvault Energy em cooperação com a Edison Power. Os desenvolvedores afirmam que no futuro apresentarão um modelo, cuja energia será suficiente para abastecer toda a casa.
Esses supercondensadores têm muitas vantagens: a possibilidade de uma carga quase instantânea, respeito ao meio ambiente, segurança, compactação e também baixo custo. Graças à nova tecnologia de produção de grafeno, semelhante à impressão em uma impressora 3D, a Sunvault promete o custo das baterias quase dez vezes menor do que o das tecnologias de íon-lítio. No entanto, a produção industrial ainda está muito distante.
Sanvault também tem concorrentes. Um grupo de cientistas da Universidade de Swinburn, na Austrália, também apresentou um supercapacitor de grafeno, que tem uma capacidade comparável às baterias de íon-lítio. Ele pode ser carregado em alguns segundos. Além disso, é flexível, o que permitirá sua utilização em dispositivos de diversos formatos, e até em roupas elegantes.
Baterias atômicas
As baterias nucleares ainda são muito caras. Num futuro próximo, eles não serão capazes de competir com as conhecidas baterias de íon-lítio, mas não podemos deixar de mencioná-las, porque as fontes que vêm gerando energia continuamente há 50 anos são muito mais interessantes do que as baterias recarregáveis.
Seu princípio de operação, em certo sentido, é semelhante ao funcionamento das células solares, só que, em vez do sol, a fonte de energia nelas são os isótopos com radiação beta, que é então absorvida por elementos semicondutores.
Ao contrário da radiação gama, a radiação beta é praticamente inofensiva. É um fluxo de partículas carregadas e é facilmente protegido por finas camadas de materiais especiais. Também é ativamente absorvido pelo ar.
Hoje, o desenvolvimento dessas baterias é feito em diversos institutos. Na Rússia, NUST MISIS, MIPT e NPO Luch anunciaram seu trabalho conjunto nessa direção. Anteriormente, um projeto semelhante foi lançado pela Tomsk Polytechnic University. Em ambos os projetos, a substância principal é o níquel-63, obtido por irradiação de nêutrons do isótopo níquel-62 em um reator nuclear com posterior processamento radioquímico e separação em centrífugas de gás. O primeiro protótipo da bateria deve ficar pronto em 2017.
No entanto, essas fontes de alimentação beta-voltaicas são de baixa potência e extremamente caras. No caso de um empreendimento russo, o custo estimado de uma fonte de energia em miniatura pode chegar a 4,5 milhões de rublos.
Fonte de alimentação atômica baseada em trítio NanoTritium da City Labs.
O níquel-63 também tem concorrentes. Por exemplo, a Universidade de Missouri vem experimentando com estrôncio-90 há muito tempo, e baterias beta-voltaicas em miniatura baseadas em trítio podem ser encontradas comercialmente. Com um preço em torno de mil dólares, eles são capazes de alimentar vários marcapassos, sensores ou compensar a autodescarga de baterias de íon-lítio.
Porta-chaves luminoso com trítio.
Os especialistas estão calmos por enquanto
Apesar da abordagem da produção em massa das primeiras baterias de sódio e do trabalho ativo em fontes de alimentação de grafeno, os especialistas da indústria não prevêem nenhuma revolução nos próximos anos.
A empresa Liteko, que opera sob a asa de Rusnano e produz baterias de íon-lítio na Rússia, acredita que ainda não há razões para uma desaceleração no crescimento do mercado. “A demanda constante por baterias de íon-lítio se deve principalmente à sua alta energia específica (armazenada por unidade de massa ou volume). Segundo esse parâmetro, não há concorrentes entre as fontes de energia química recarregáveis produzidas em série no momento”, comenta a empresa.
Porém, no caso de sucesso comercial das mesmas baterias de sódio BroadBit, o mercado pode reformatar em questão de anos. A menos que os proprietários e acionistas queiram ganhar muito dinheiro com a nova tecnologia.
