Warum Batterien saugen und wie Tech sie reparieren kann

warum Batterien saugen und wie Technik sie reparieren kannMartin Abegglen / Flickr Die Rekordnachfrage nach externen Ladegeräten ist ein Ausdruck des Wunsches nach Geräten, die tagelang ungebunden bleiben können, und was für ein starker Wunsch dies ist: 2012 ergab eine Umfrage von JD Power and Associates, dass die Akkulaufzeit mehr als jede andere ist Feature, trug zur Unzufriedenheit unter Smartphone-Käufern. Das dürfte sich heute nicht geändert haben, wenn ein durchschnittliches Smartphone nur etwa 8 Stunden im Internet surfen kann, bevor es stirbt… über WLAN.

Auf den ersten Blick scheint die Schuld bei den Smartphone-Herstellern zu liegen. Sie können davon ausgehen, dass die Batterien, mit denen die Flaggschiffe von Samsung, LG, Motorola usw. betrieben werden, von den jeweiligen Ingenieuren ausgewählt werden. Die Wahrheit ist jedoch nuancierter: Die Lithium-Ionen-Batterien in fast allen Geräten haben sich seit ihrem Erscheinen vor 23 Jahren nicht radikal verändert. Diese langwierige Stagnation hat Unternehmen gezwungen, Kompromisse bei der Größe des Smartphones, der Akkulaufzeit oder beidem einzugehen. Entweder kann ein Gerät wie ein Telefon dünn sein oder es kann eine anständige Akkulaufzeit haben.

Wie sind wir genau zu diesem Punkt gekommen und wohin gehen wir? Verbesserte Batteriedesigns stehen am Horizont, aber werden sie jemals auf den Markt kommen? Haben neue Batterietechnologien eine echte Chance, unsere Abhängigkeit von Lithiumionen zu beenden, und werden andere Lösungen dazu beitragen, die heutigen Batterien in der Zwischenzeit erträglich zu machen? Wir haben uns bemüht, es herauszufinden.

Wie Batterien funktionieren

Die ersten wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien waren explosiv. Buchstäblich. Sony und das Chemieunternehmen Asashi Kasei lernten dies auf die harte Tour, als 1991 die erste kommerzielle Lithiumbatterie auf Metallbasis des Unternehmens durch ein Mobiltelefon brannte und einem Mann Verbrennungen zufügte.

Die Lithium-Ionen-Batterien in fast allen Geräten haben sich seit ihrem Erscheinen vor 23 Jahren nicht radikal verändert.

Dies hinderte Lithium-Ionen-Zellen jedoch nicht daran, die dominierende Energiequelle in tragbaren Geräten zu werden. Der Grund? Zum einen sind sie viel energiedichter als die Alternativen, aber auch relativ wartungsfrei. Im Gegensatz zu anderen Batterien müssen sie nicht entladen werden, haben kein Gedächtnis, es kommt nicht zu einer zelltötenden Sulfatierung und sie enthalten weniger giftige Metalle als die meisten anderen Batterien. Lithium-Ionen-Batterien sind einfach gesagt eine der vielseitigsten Serienbatterien.

Aber sie sind auf andere Weise begrenzt, hauptsächlich durch die Energiedichte. Der Grund, sagte Noam Kedem, Vice President Marketing bei Leyden Energy, gegenüber CNET in einem Interview, weil „die [v] olumetrische Energiedichte abnimmt, wenn [Lithiumionenzellen] dünner werden, weil die Verpackung einen höheren Prozentsatz des Energievolumens einnimmt.“ Was bedeutet das für den Durchschnittsverbraucher? Wenn Sie eine lange Akkulaufzeit wünschen, müssen Sie bei der Größe Kompromisse eingehen.

Nehmen Sie dieses Beispiel: Das Nokia Lumia 1520 kann bis zu 107 Stunden aufgeladen werden, hat jedoch einen Durchmesser von 6,4 Zoll - die Größe eines Phablets. Das 6,34-Zoll-Huawei Ascend Mate2 4G hält ungefähr das gleiche. Das einzige kleinere Telefon, das sich im Bereich der Giganten behaupten kann, ist das Xperia Z3 Compact, das an einem guten Tag 101 Stunden schafft. Um dies zu erreichen, mussten sich die Designer von Sony für ein 720p-Display entscheiden, eine Sonderausstattung für ein Smartphone mit einem Preis von 630 US-Dollar.

Sony Xperia Z3 Compact Sony Xperia Z3 Compact

Der wirklich enttäuschende Teil ist, dass selbst diese großen Batterien nicht sehr lange halten. Apple bewertet den Akku des iPhones mit 80 Prozent der Kapazität für 50 Ladevorgänge. Vorausgesetzt, Sie laden Ihr Telefon einmal pro Nacht auf, sind es ungefähr anderthalb Jahre.

Über diese Einschränkungen hinaus gibt es das Problem der Sicherheit. Die heutigen Lithium-Ionen-Batterien sind möglicherweise nicht so gefährlich wie die Metallkonstruktionen von gestern, aber stumpfe Kräfte können dazu führen, dass sie kurzschließen, zerfallen oder schädliches Gas freisetzen. Fehler sind selten, aber die Ergebnisse können dramatisch sein - ein durchbohrter Akku vor zwei Jahren ließ ein Tesla Model S in Flammen aufgehen, und ein virales Video zeigt, was passieren kann, wenn Sie einen Samsung Galaxy S5-Akku mit einem Hammer schlagen.

Angesichts der unzähligen Probleme ist es keine Überraschung, dass sowohl Verbraucher als auch Gerätehersteller einen starken Wunsch nach kleineren, dichteren und sichereren Alternativen haben. Die Forschung an dieser Front ist vielversprechend, aber der Trick ist, wie sich herausstellt, nicht unbedingt die Forschung, sondern die Anpassung der Entwürfe für die Massenproduktion. Die Reduzierung der mit der Herstellung verbundenen Kosten und die Erzielung von Effizienz sind oft der schwierigste Teil bei der Markteinführung neuer Batterien.

Die Batterien der Zukunft kommen langsam

Es kommen bessere Batterien, und einige stammen aus Ideen der Vergangenheit. Nehmen Sie zum Beispiel die Forschung der University of Stanford. Die ersten Lithiumbatteriekonstruktionen enthielten Lithiumanoden, Anoden, die sich schnell als ineffizient und unsicher herausstellten. Wissenschaftler von Stanford konnten diese Probleme jedoch kürzlich lösen, indem sie Lithium mit einer speziellen Schutzschicht aus Kohlenstoffnanostrukturen aus dem Elektrolyten isolierten. Das Ergebnis ist eine Verdoppelung, möglicherweise Verdreifachung der Akkulaufzeit.

Batterien aus Sand haben die dreifache Kapazität und Lebensdauer herkömmlicher Batterien.

Eine reine Lithiumbatterie ist der mutmaßliche Nachfolger der heutigen Batterien - der technische Leiter des Stanford-Projekts Yi Cui sagt, dass das Material das „größte“ Potenzial aller Materialien hat, die als Anoden verwendet werden können. Aber die Produktion ist das Problem: Das Design des Stanford-Teams hat die erforderliche Branchenschwelle für die Effizienz (99,9 Prozent) für die Kommerzialisierung noch nicht erreicht, und selbst wenn dies der Fall ist, könnte die Komplexität der Herstellung zu einem hohen Preis führen - irgendwo im Bereich von 25.000 US-Dollar Für Fahrzeugbatterien sagte Energieminister Steven Chu gegenüber Phys.org.

Deshalb haben sich Wissenschaftler an der University of California Riverside dem Sand zugewandt. Sie sammelten Granulate mit einem hohen Quarzanteil, mahlen sie mit Salz und Magnesium und erhitzten sie schließlich, um Sauerstoff zu entfernen und reines Silizium zu extrahieren. Das endgültige Material hat die dreifache Kapazität und Lebensdauer herkömmlicher Batterien.

Aber auch für die Handys in unseren Taschen sind Batterien aus Sand noch nicht machbar. Die Forscher haben noch keine Methode zur Herstellung des Siliziumsandes im Maßstab entdeckt. Die größte Batterie, die sie bisher produziert haben, hat die Größe einer kleinen Münze.

Kang Shin und Doktorand Xinyu Zhang Kang Shin und Xinyu Zhang

Die Marktbarriere für neue Designs ist so groß, dass Gerätehersteller wie Apple, Google und Dyson begonnen haben, direkt mit Batteriefirmen zusammenzuarbeiten, um die Entwicklung zu beschleunigen. Da jedoch keine wesentlichen Durchbrüche erzielt wurden, haben Hardware- und Softwarehersteller eigene Problemumgehungen entwickelt, um unserem intensiven Wunsch nach langlebigeren Smartphones, Tablets, Elektroautos und Laptops gerecht zu werden.

Eine der Ursachen für eine schnelle Batterieentladung ist Wi-Fi - moderne Mobilteile überwachen ständig den drahtlosen Verkehr in der Nähe, verbrauchen viel Energie, um Pakete zu untersuchen und in Umgebungen voller störender Signale nach klaren Kanälen zu suchen. Der Informatik- und Ingenieurprofessor der Universität von Michigan, Kang Shin, und der Doktorand Xinyu Zhang entwickelten eine Lösung, die sie als energieminimierendes Leerlaufhören (E-MiLi) bezeichnen.

E-MiLi spart Strom, indem der interne drahtlose Chip verlangsamt wird, während Wi-Fi nicht verwendet wird. Laut Shin und Zhang ergibt sich eine durchschnittliche Energieeinsparung von etwa 44 Prozent. Darüber hinaus ist E-MiLi mit 92 Prozent der Mobilgeräte kompatibel. Aber wie immer gibt es einen Haken: Es funktioniert mit WLAN-Routern mit spezieller Firmware.

Blueshift Helium Bambus Superkondensator Aktivlautsprecher

Rich Shibley / Digitale Trends

Eine andere Idee, über die Forscher nachdenken, ist das schnelle Laden. Das ist ein Überbegriff, der alles von optimierter Software bis hin zu optimierten Kondensatoren umfasst, aber das Konzept ist einfach: Netzteile mit sehr, sehr kurzen Ladezyklen. Mitte 2013 stellte ein 18-jähriger Student auf der Intel Science and Engineering Fair einen Superkondensator vor, mit dem ein Smartphone-Akku in 30 Sekunden aufgeladen werden kann. Der Blueshift Bamboo-Lautsprecher, der nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet, kann in Minuten aufgeladen werden und hält sechs Stunden.

Einige zusätzliche Ladegeräte sind viel verrückter. Ein Luxus-Smartphone von Tag Heuer verfügt über Photovoltaik-Schichten, die den Akku vor Sonnenlicht aufladen. Forscher an der UC San Diego haben ein temporäres „Batterietattoo“ erstellt, das durch Schweiß aufgeladen wird. Wissenschaftler von Nokia und der Queen Mary University in London arbeiten derzeit an „Nanogeneratoren“, die Strom aus Geräuschen wie menschlichen Stimmen, Verkehr und Musik erzeugen sollen.

Einige Batterieverbesserungen sind bereits im Gange

Während neue Batteriemodelle ihren unaufhaltsamen, aber lethargischen Weg zur Kommerzialisierung fortsetzen, befinden sich Elektronik- und Softwareunternehmen in der gleichen Position wie in den letzten 23 Jahren: Sie müssen die Einschränkungen einer veralteten Technologie umgehen. Einige waren erfolgreicher als andere bei der Behandlung der Symptome - LG implementierte beispielsweise ein geschichtetes Lithium-Ionen-Design im G2, das eine um 16 Prozent gesteigerte Kapazität behauptete - aber solange die Ursachen für geringe Kapazität und schlechte Langlebigkeit nicht behoben werden, es wird sich nicht viel ändern.

Die unglückliche Realität ist, dass es mit Ausnahme von externen Ladegeräten und Batterien von Drittanbietern noch keine gute Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien gibt. Die meisten Forschungsarbeiten befinden sich noch im Prototypenstadium. Die Zwischen- und Aftermarket-Lösungen sind nicht allzu praktisch. Auf Ihrem nächsten Smartphone ist es unwahrscheinlich, dass ein Solarpanel, eine energiesparende Wi-Fi-Software oder Nanogeneratoren zum Einsatz kommen.

Die Lithium-Ionen-Probleme der Batterieindustrie sind derzeit kein Wundermittel, aber wir haben einige Durchbrüche von Institutionen wie der Nangyang Technological University gesehen, an denen Forscher eine schnell aufladende Titandioxidanode entwickelt haben. Die Entwicklung von Alternativen beschleunigt sich ebenfalls. Im April haben Wissenschaftler der NASA-lizenzierte Technologie, die Wärme aus Autoabgasen in nutzbaren Strom umwandeln kann, und Forscher des japanischen Unternehmens Fuji Pigment Schritte zur Kommerzialisierung der Aluminium-Luft-Technologie unternommen, Batterien mit einer theoretischen Kapazität, die 40-mal höher ist als die von Lithium-Ionen .

Gib es noch ein paar Jahre

Natürlich haben Lithium-Ionen-Batterien ihre Vorteile: Sie sind billig, einfach herzustellen und vergleichsweise stabil. Aber sie sind auch riesig und halten nicht lange. Es ist keine Überraschung, dass es einen Hunger nach Alternativen gibt, und obwohl noch keiner wirklich hier ist, gibt es Grund zur Hoffnung. Mehr Forscher als je zuvor befassen sich mit dem „Lithium-Ionen-Problem“. Einige alternative Batteriedesigns stehen ebenfalls kurz vor der Kommerzialisierung. Und einige der halben Maßnahmen sind in der Zwischenzeit nicht halb so schlimm - Qualcomms QuickCharge, eine sogenannte Schnellladetechnologie, die in einige Smartphones integriert ist, beschleunigt das Laden erheblich.

Es ist wahr, dass der Todesstoß von Lithium-Ionen noch nicht ganz angekommen ist, aber er ist näher als je zuvor. Es ist nicht unangemessen zu prognostizieren, dass Smartphones, die mit einer einzigen Ladung weniger als ein paar Tage halten, in fünf oder weniger Jahren positiv (ohne Wortspiel) prähistorisch erscheinen.