Енергия за бъдещето

Какво можем да кажем за днешните батерии? Освен че са със скандално скромен капацитет, скъпи и опасно експлозивни. С тях е свързана една от най-неясните мистерии на съвременния хай-тек: защо днес, във века на мобилните устройства, всяко от които предлага, меко казано, впечатляваща микропроцесорна мощ, едно от най-слабите им места си остава батерията?

На фона на тази жизненоважна зависимост необясним остава фактът, че през последните години възможностите на мобилните устройства непрекъснато растат – буквално в геометрична прогресия. По-мощни процесори (в последната генерация с до четири ядра), по-бързи графични решения, по-големи и ярки екрани, повече капацитет за съхранение на данни. И всичко това продължава да се захранва масово с литиево-йонна технология, датираща отпреди близо 30 години!

Само преди едно десетилетие нещата в света на батериите бяха все още мирни и тихи. Масовите по това време мобилни телефони се зареждаха най-много по веднъж седмично, а чифт обикновени ААА алкални батерии от супермаркета бяха напълно достатъчни за всеки MP3 плейър. Електромобилите все още бяха екзотика – забавна, нова щуротия, която никой не взимаше на сериозно.

Днес, ако вашият нов Galaxy Nexus успее да издържи цял един ден без презареждане на батерията, определено имате повод да почерпите. Въпреки че е екипиран с литиево-йонна батерия с впечатляващ капацитет от близо 2000 mAh, флагманът на Ice Cream Sandwich смартфоните успява за броени часове да го изцеди почти напълно благодарение на умопомрачителната комбинация от мощен процесор с две ядра и огромния си HD дисплей с диагонал почти 5 инча.

Въпреки че чиповете и технологиите за изработка на течнокристални екрани непрекъснато се развиват, включително и по посока понижаване на енергийните им нужди, технологията за изработка на батерии вече почти е достигнала своя лимит на приложение.

Kакво представлява дори най-мощният смартфон, таблет или ноутбук, след като батерията му предаде богу дух? Просто парче ненужна пластмаса и метал – нищо повече.

Точно затова днес учените хвърлят усилия за подобряване на вече съществуващите акумулаторни разработки и все по-често отправят поглед към набор от нови технологии, които в недалечно бъдеще ще революционизират света на батериите. Някои от тях експериментират с евтини материали. Други работят за създаване на принципно нова архитектура за автономно захранване. Трети търсят начин за значително увеличаване на капацитета и съкращаване времето за зареждане.

Коя от тези разработки ще се наложи, ще стане масова и ще доминира пазара? От гледна точка на настоящето е трудно да се каже, но ето някои от най-перспективните идеи за бъдещето на батериите.

Зареждане за секунди
Две от най-големите слабости на съвременните акумулатори са ограниченият капацитет и продължителното време за зареждане. Точно затова от години учени от цял свят работят в тези две насоки – увеличаване на производствената плътност и скоростта за презареждане на батериите. Една от най-перспективните разработки в тази област принадлежи на група изследователи от университета в Илинойс. Създаденият от тях силициев анод увеличава производителността (и респективно капацитета) на класическите батерии повече от 10 пъти, като в същото време паралелна разработка съкращава драстично периода за зареждане.

Типичен мобилен телефон, екипиран с подобна батерия, би изисквал едва 2 минути време за презареждане, следвано от над 100 часа време за активна автономна работа. За да съкратят още повече времето за зареждане на батерията, учените експериментират с материали, притежаващи пореста, а не плътна структура. Батерия с катод, изработен от никел, с триизмерна „гъбеста” наноструктура би изисквала време за зареждане от едва няколко секунди.

Евтини и безопасни
Други две слаби страни на съвременните батерии са свързани със скъпите и опасни материали, използвани за изработката им. В резултат себестойността на крайния продукт е доста висока, а самите батерии са опасни – изложени на прекомерна топлина или силен удар, те могат да се възпламенят и дори да експлодират.
Учените от британския университет в Лийдс смятат, че са намерили решение на тези два проблема. Създадените от тях батерии са изработени от... гел. Всъщност става дума за желеобразна маса от електролити, които са изключително евтини за разработка и напълно инертни като материал.

Нещо повече гел-батериите могат да се създават бързо и лесно под формата на рула с дължина до 10 метра, които след това да бъдат сгъвани или нарязвани според нужните на съответния производител. Тъй като са изключително тънки, те могат да се прикрепят към повърхността на всеки LCD монитор или да се разположат под клавиатурата на класически ноутбук.
Единствената слабост на гел-батериите е, че техният капацитет не е по-голям от този на сега съществуващите литиево-йонни акумулатори.
Батерия и устройство в едно
Тази интересна идея принадлежи на група изследователи от Имперския колеж в Лондон. Те предлагат да превърнат корпуса на мобилния ви телефон, ноутбука или дори електромобила ви в батерия!
Създадената от тях концепция почива на принципа на така наречените супер кондензатори.

В комбинация с карбонови нишки, изпълняващи ролята на електрод, полимерен гел като електролит и фибростъкло като изолатор, те са създали материал, който на външен вид не се различава по нищо от класическия карбон. Съответно няма никакви пречки той да бъде използван по същия начин – за изработка на външни корпуси за всякакъв вид мобилни устройства.

Батерии, невидими с просто око
Учените от университета Райс в Хюстън пък предлагат работещ прототип на батерия, изградена от нанотръби. Всъщност оригинално тяхната разработка е предназначена за захранване на микромашините на бъдещето – така наречените наноботи (роботи с микроскопични размери, на които се възлагат големи надежди за приложение в медицината). Засега те са само теоретична разработка, но методите за автономното им захранване вече са в стадий на работещ прототип.

Нанобатериите представляват система от микроскопични тръби, изпълняващи ролята на супер кондензатор. Всяка от тях е с размер около 150 нанометра, а цялата структура не надхвърля 50 000 нанометра (т.е. около 1% от дебелината на човешки косъм) – напълно невидима за невъоръженото око.

Основна слабост на тази разработка е стабилността на наносистемата – на настоящия етап енергийният й капацитет изчезва напълно след едва 20 цикъла на презареждане.

Удължаване на живота
Докато една голяма част от учените работят по посока увеличаване капацитета на батериите, други търсят начин за удължаване живота на днешните масово използвани аналози. Днес енергоспестяващите технологии са навсякъде и неизменно са част от висшата хай-тек мода.

Една от най-новите разработки, която има потенциала да удвои живота на сега съществуващите батерии, е свързана с безжичната Wi-Fi комуникация. Вградените в различните мобилни устройства модули, осигуряващи тази опция, са сред най-големите консуматори на енергия във всеки таблет, мобилен телефон и ноутбук. Наскоро учени от университета Дюк в Дърам предложиха идея за нова технология, която може да оптимизира сериозно процеса за Wi-Fi пренос на данни. Тя се нарича SleepWell и в основата й стои концепцията за по-равномерно предаване на пакетите с информация между двете устройства.

Благодарение на това процесът на трансфер става по-бърз и равномерен, а необходимата за извършването му енергия драстично намалява. Добрата новина, свързана със SleepWell, e, че тя не изисква драстична промяна в сега съществуващите протоколи за Wi-Fi безжична комуникация – за да бъде интегрирана в различните мобилни устройства, е достатъчен просто ъпгрейд на фърмуера им. Лошата е, че от SleepWell има полза само при по-интензивно използване на Wi-Fi за пренос на данни – ако по-рядко разчитате на този вид връзка, това няма да се отрази върху общата продължителност на живота на батерията ви.

Интересна идея за удължаване времето за автономна работа на батериите е свързана и с така наречените чувствителни на натиск повърхности. С помощта на подобни материали кинетичната енергия, която всеки потребител изразходва за писане на клавиатурата на своя ноутбук или мобилен телефон, може да се трансформира в електрозахранване, което да се пренасочи към вградената в устройството батерия. Така, докато работите с него, едновременно ще го и презареждате.

В основата на тази концепция стои принципът на пиезоелектричния ефект. Макар на теория да звучи лесно, практическото имплементиране на тази технология в реални продукти всъщност е доста сложно начинание. Засега дори най-перспективните варианти за приложението й, разработени от Кралския технологичен институт в Мелбърн, успяват да „възстановят” едва 10% от изразходения заряд на батерията посредством преобразуване на кинетична в електрическа енергия. За съжаление подобен коефициент на полезно действие е крайно недостатъчен, за да оправдае създаването на комерсиален вариант на тази технология.