В то время как смартфоны, электромобили и другие цифровые устройства становятся все более продвинутыми, их возможности ограничиваются энергией. Заряда современного телефона хватает всего на 1-2 дня, а причина этого кроется в очень медленном развитии технологий аккумуляторов за последнее десятилетие. Поэтому учение и бизнес решили усилить свою работу в этом направлении и начинают представлять впечатляющие прототипы. В материале мы рассмотрели самые интересные и перспективные технологии аккумуляторов будущего.
Полное восстановление заряда за 30 секунд
Сартап StoreDot, зародившийся на кафедре нанотехнологий в Тель-Авивском университете, разработал устройство, которое может полностью восстанавливать заряд смартфон за 60 секунд. Аккумулятор состоит из негорючих органических соединений (пептидов), покрытых многослойной защитной структурой, препятствующей перенапряжению и нагреву.
Компания так же планирует создать накопитель для электромобилей, который восстанавливается за пять минут и позволяет проехать 500 км. Коммерческое производство должно было начаться к началу 2018 года, но сроки перенесли. Несмотря на задержку, продукт должен стать очень популярным.
Звуковое питание
Исследователи из Великобритании создали телефон, который способен заряжаться от окружающего его звука. Принцип его работы основан пьезоэлектрическим эффекте. Для этого были созданы наногенераторы, которые улавливает окружающий шум, и превращают его в электрический ток. Фактически, телефон может питаться от звука, который постоянно присутствует вокруг нас.
Британская команда разработчиков добавила оксид цинка в специальную химическую смеси и покрыла ею устройство. В результате на всей поверхности образовались крошечные наностержни. Они настолько чувствительны, что изгибаются от давления звуковых волн. Эти колебания собираются наногенераторами, которые преобразуют их в электрический ток, достаточно мощный для восстановления аккумулятора.
Стержни реагируют и на человеческий голос, поэтому в процессе общения, пользователи могут сразу пополнять заряд.
Песок может повысить энергоемкость в 3 раза
В альтернативном типе литий-ионного аккумулятора используется песок вместо графита. Ученые Калифорнийского университета Риверсайд сначала планировали использовать наноразмерный кремний, но он слишком быстро деградировал и его трудно производить в больших количествах. Поэтому они решили использовать песок, который можно легко очистить, нанести в виде порошка, а затем намочить солью и магнием перед нагреванием для удаления кислорода, в результате чего получается чистый силиций.
Это позволило добиться трехкратного увеличения энергоемкости гальванического элемента, а его производство недорогое и экологически чистое. Дополнительно он имеет пористую трехмерную структуру, что повышает срок службы и эффективность использования.
Зарядка от движений человека
Исследователи из Университета Суррея разрабатывают способ использования нашей одежды в качестве источника энергии. Аккумулятор Triboelectric Nanogenerators (TENG) преобразует движение в накапливаемый заряд. Сохраняемое электричество может затем использоваться для питания мобильных телефонов или других гаджетов.
Эта технология может быть применена не только к одежде, но и интегрирована в тротуар или шины автомобиля. Энергия, возникающая от пешеходов или передвижения машин, может быть собрана и направлена на питание уличных фонарей или приборы авто.
Пополнение заряда из воздуха
Концепцию разработала астробиолог Мередит Перри, основавшая компанию uBeam. Она предлагает использовать ультразвук для зарядки мобильных устройств. Электроэнергия превращается в направленные звуковые волны, неслышимые для людей и животных, которые попадая на гаджет, преобразуются обратно в энергию.
Технология позволяет передавать заряд буквально по воздуху с помощью пластины толщиной 5 мм. Небольшие передатчики могут быть прикреплены к стенам и даже быть частью декора помещения, излучая при этом энергию для смартфонов и ноутбуков. Для конвертирования энергии гаджетам просто нужен специальный тонкий приемник.
Вечные аккумуляторы из нанопроводов
Еще одно достижение заключается в продлении срока эксплуатации до такого уровня, чтобы пользователи никогда не беспокоились о замене батареи. Исследователи из Калифорнийского университета Ирвин разработали нанопроводные аккумуляторы, которые могут выдерживать 200 тыс. циклов зарядов, не проявляя никаких признаков ухудшения эффективности.
Крошечные золотые нити, которые в тысячи раз тоньше человеческого волоса, имеют отличную проводимость и большую площадь поверхности, что открывает хорошие перспективы для эффективности будущих накопителей. Прежде проблемой было их быстрое разрушение при перезарядке, но ученые смогли предотвратить это, покрывая нанопровода оболочкой из двуокиси марганца и гелиевого электролита.
Высокоэффективные графеновые аккумуляторы
Графеновые батареи могут быть одним из самых превосходных. Продукт компании Grabat позволяет накопить достаточно энергии, чтобы электромобиль смог проехать до 750 км на одном заряде. Разработчики утверждают, что такие элементы могут полностью восстанавливаться всего за несколько минут, а также заряжаться и разряжаться в 33 раза быстрее, чем литий-ион.
Разряд также имеет решающее значение для таких как устройств, как автомобили, для быстрой езды которых требуется много энергии. У компании уже есть продукты для автомобилей, беспилотных летательных аппаратов, велосипедов и даже дома.
Компактные и дешевые пенные аккумуляторы
В компании Prieto полагает, что будущее за 3D-печатными источниками питания с основой из медной пены. Такие накопители станут не только более безопасными, благодаря отсутствию легковоспламеняющихся электролитов, но и будут дольше служить, быстрее заряжаться. Их плотность будет в пять раз выше, а размер и себестоимость значительно ниже, чем у нынешних аккумуляторов.
В 7 раз более емкие натриево-ионные аккумуляторы
Ученые из Японии работают над новыми типами батарей, которым не нужен литий. Они будут использовать натрий, один из самых распространенных материалов на планете, и в семь раз эффективнее обычных аккумуляторов. Исследования натрий-ионных источников энергии продолжаются с восьмидесятых годов, пытаясь найти более дешевую альтернативу редкому литию. Используя соль, шестой наиболее распространенный элемент на планете, батареи можно сделать намного дешевле. Ожидается, что коммерческое производство начнется в ближайшие пять-десять лет.
Гибкий бумажный аккумулятор
Разработка Jenax J.Flex была создана для использования в гнущихся гаджетах. Бумажный накопитель может складываться и водонепроницаем, что позволяет интегрировать его в одежду и носимые вещи. Продукт уже создан и даже проверен на безопасность, он так же может сгибаться 200 тыс. раз без потери производительности.
Команда ученых Бингемтонского университета разработала похожую бумажную одноразовую батарею, которая использует бактерии в качестве источника энергии, а для ее активизации нужна обычная вода.
Зарядное устройство на водородном топливе
Теперь доступно портативное зарядное устройство на водородном топливном элементе Upp. Оно использует гидроген для питания телефона и абсолютно безвредное для окружающей среды.
Один водородный элемент обеспечит пять полных зарядов смартфона (емкость 25 Вт на каждую ячейку). Единственным побочным продуктом является водяной пар. Upp может заряжать большинство USB-устройств с выходом 5 В, 5 Вт, 1000 мА.
Не менее удивительными являются материалы, из которых могут состоять цифровые устройства будущего.
текст: Иван Маличенко, фото: Robin Worrall/Unsplash, Nick Bilton/The New York Times, Carphone Warehouse, видео: Prieto Battery