Znajdź zawartość

Naukowcy z singapurskiego Uniwersytetu Narodowego pracują nad nową membraną, która jest w stanie przechowywać znacznie więcej energii niż nowoczesne baterie litowo-jonowe. Zespół doktora Xie Xian Ninga bada membranę wykonaną z polimeru bazującego na polistyrenie. Membranę zamyka się pomiędzy grafitowymi płytkami. Jej pojemność wynosi 0,2 farada na każdy centymetr kwadratowy. Standardowy kondensator przechowuje obecnie 1 mikrofarad na centymetr kwadratowy. Dzięki pracom Singapurczyków mogą znacząco spaść ceny urządzeń do przechowywania energii. Obecnie urządzenie z płynnym elektrolitem kosztuje około 7 dolarów za każdy farad pojemności. Nowe membrany pozwalają przechować farad za 62 centy. Innymi słowy, bateria wykorzystująca singapurską membranę za cenę 1 dolara przechowa 10-20 watogodzin. Baterie litowo-jonowe za taką samą kwotę przechowują 2,5 watogodziny. Membrana charakteryzuje się też olbrzymią wytrzymałością. Jest ona w stanie przetrwać 5000-6000 cykli ładowania/rozładowywania. Ładuje się ponadto szybciej niż standardowa bateria. W porównaniu z akumulatorami i superkondensatorami te membrany umożliwiają budowanie tanich urządzeń o bardzo prostej architekturze. Co więcej, wydajność membran przewyższa akumulatory i superkondensatory - powiedział doktor Xie.

Akumulator opracowany przez Nanotek Instruments ma wszelkie szanse stać się przełomowym urządzeniem na rynku pojazdów elektrycznych. Specjaliści zaprojektowali urządzenie przechowujące energie, która jest w stanie bardzo szybko uwięzić dużą liczbę jonów litu pomiędzy elektrodami, których działania wspomagają duże ilości grafenu. Naładowanie takiego akumulatora, który mógłby napędzać samochody elektryczne, może trwać mniej niż minutę. Urządzenie przyda się również np. do przechowywania energii ze źródeł odnawialnych. Wynalazcy nazwali je „surface-mediate cells" (SMCs). Już w tej chwili, mimo, że materiały oraz konstrukcja urządzenia nie zostały zoptymalizowane, charakteryzuje się ono osiągami przewyższającymi zarówno konstrukcje litowo-jonowe jak i superkondensatory. Gęstość mocy urządzenia wynosi 100 kW/kg, jest zatem 100-krotnie większa od baterii litowo-jonowych i 10-krotnie przekracza możliwości superkondensatorów. Im większa zaś jest gęstość mocy, tym szybszy transfer energii, a co za tym idzie - tym krótsze czasy ładowania. Ponadto gęstość energii - czyli ilość energii, którą można przechowywać w danej objętości lub masie - sięga 160 Wh/kg. Jest więc porównywalna z gęstością baterii litowo-jonowych i 30 razy większa od gęstości konwencjonalnych superkondensatorów. Jeśli porównamy SMC i baterie litowo-jonowe o tej samej wadze, to napędzany nimi samochód elektryczny będzie mógł przejechać mniej więcej taką samą trasę na pojedynczym ładowaniu. Nasze SMCs, podobnie jak współczesne urządzenia litowo-jonowe, mogą być jeszcze ulepszone pod względem gęstości energii. Jednak SMC mogą być ładowane w ciągu minut (prawdopodobnie w mniej niż minutę), a akumulatory litowo-jonowe wymagają godzin ładowania - mówi Bor Z. Jang, współzałożyciel Nanotek Instruments. Nanotek i jego firma-córka, Angstron Materials, która współpracowała przy SMC, specjalizują się w badaniach nad nanometeriałami. Angston to największy na świecie producent płytek nanografenowych (NGP). Jak widzimy, SMC łączą zalety baterii i superkondensatorów. Te pierwsze charakteryzują się większą gęstością energetyczną, te drugie - większą gęstością mocy. Nanotek i Angstron stworzyły nową architekturę urządzenia do przechowywania energii, która potencjalnie może zrewolucjonizować przemysł samochodowy. Kluczem do sukcesu są anoda i katoda wyposażone w olbrzymie powierzchnie grafenowe. Podczas produkcji naukowcy umieścili na anodzie metaliczny lit (w postaci cząsteczek lub folii). W czasie pierwszego rozładowania, dochodzi do jonizacji litu, w wyniku czego pojawia się znacznie większa liczba jonów niż w urządzeniach litowo-jonowych. W czasie pracy urządzenia jony migrują poprzez płynny elektrolit do katody. Z kolei podczas ładowania, olbrzymia liczba jonów litu szybko przechodzi od katody do anody. Dzięki wielkiej powierzchni obu elektrod możliwe jest szybkie przesyłanie dużych ilości jonów. Dzięki temu, że jony litu przemieszczają się pomiędzy porowatymi powierzchniami elektrod udało się wyeliminować czasochłonny proces interkalacji. Naukowcy prowadzili badania z różnymi rodzajami grafenu i mówią, że konieczne są dalsze eksperymenty. Chcą teraz przede wszystkim skupić się na zwiększeniu żywotności swojego urządzenia. Dotychczasowe badania wykazały, że może ono zachować 95% pojemności po 1000 cykli ładowania/rozładowania, a nawet po 2000 cykli nie zauważono, by dochodziło do powstawania zmniejszających pojemność akumulatorów kryształów dendrytycznych. Nie widzimy żadnych poważniejszych przeszkód, które mogłyby uniemożliwić komercjalizację technologii SMC. Chociaż grafen jest obecnie drogi, to Angstron Materials pracuje nad technologiami umożliwiającymi jego produkcję na skalę przemysłową. Przewidujemy, że w ciągu najbliższych 1-3 lat jego cena dramatycznie spadnie - mówi Jang.

Na Rice University powstała miniaturowa bateria litowo-jonowa, a jej twórcy mają nadzieję, że tego typu urządzenia będą w przyszłości zasilały nanoelektronikę. Zespół profesora Pulickela Ajayana zmieścił trzy główne elementy baterii - anodę, katodę i elektrolit - w pojedynczym nanowłóknie. Uczeni zaprezentowali dwa projekty swojego wynalazku. Pierwszy to zbudowana z trzech warstwa struktura, w skład której wchodziły niklowo-cynowa anoda, elektrolit z tlenku polietylenu oraz katoda z polianiliny. Ta konstrukcja powstała po to, by udowodnić, że jony litu mogą efektywnie przemieszczać się od anody do elektrolitu i przechodzić następnie do katody podobnej do superkondensatora. Katoda przechowuje energię i pozwala na szybkie ładowanie i rozładowywanie baterii. Drugi z projektów to właściwa wspomniana na wstępie bateria w nanowłóknie. Uczeni stworzyli macierz o wielkości liczonej w centymetrach, na której umieścili tysiące nanowłókien. Każde z nich miało około 150 nanometrów szerokości i było miniaturową baterią. Długość każdego z włókien wynosi około 50 mikrometrów.

Profesor Paul Braun i jego zespół z University of Illinois opracowali nową nanostrukturę katody, dzięki której znakomicie przyspieszono czas ładowania i rozładowywania baterii, przy jednoczesnym utrzymaniu jej pojemności. System, który stworzyliśmy daje nam moc porównywalną z kondensatorem i energię porównywalną z akumulatorem. Większość kondensatorów przechowuje niewielkie ilości energii. Mogą ją za to bardzo szybko uwalniać. Z kolei większość akumulatorów jest zdolna do przechowywania dużych ilości energii, ale nie potrafią jej ani szybko uwalniać, ani szybko przyjmować. Nasz system ma zalety obu tych rozwiązań - stwierdza Braun. Od pewnego czasu wiadomo, że jeśli aktywny materiał do przechowywania energii zostanie przygotowany w formie cienkowarstwowej, będzie zdolny do bardzo szybkiego ładowania i rozładowywania, ale odbędzie się to kosztem pojemności. Grupa Brauna utworzyła cienkowarstową trójwymiarową strukturę, uzyskując wysoką pojemność oraz duże napięcie. Uczeni eksperymentalnie wykazali, że ich elektrody można ładować i rozładowywać w czasie 10-100 razy krótszym niż elektrody tradycyjnych baterii. Stworzenie takich akumulatorów oznaczałoby, że na rynku pojawią się telefony komórkowe czy laptopy, które można załadować w kila minut oraz np. defibrylatory, które nie będą musiały ładować się między kolejnymi uwolnieniami energii. To także nadzieja na rozwój samochodów elektrycznych. Rynek takich urządzeń z pewnością będzie szybko się rozwijał, jeśli kierowcy będą mogli w kilka minut załadować akumulatory i przejechać dzięki temu przynajmniej 200 kilometrów. Grupa Browna, by stworzyć odpowiednią strukturę materiału, najpierw pokryła powierzchnię niewielkimi kulami. Użycie kul było kluczowe, gdyż samodzielnie tworzą one regularną siatkę. Następnie wolne przestrzenie pomiędzy kulami pokryto metalem, a same kule rozpuszczono. W ten sposób powstała gąbczasta trójwymiarowa struktura. Następnie za pomocą metody elektropolerowania powiększono otwory, łącząc je ze sobą, tworząc otwartą sieć. Później "gąbkę" pokryto aktywnym materiałem cienkowarstwowym. Braun i jego współpracownicy zbudowali prototypowe baterie litowo-jonowe i niklowo-metalowo-wodorowe, jednak opracowana przez nich struktura gąbczastego metalu jest uniwarsalna i może współpracować z wieloma różnymi materiałami. Podoba nam się ta uniwersalność. Dzięki niej, gdy ktoś opracuje lepsze materiały, będzie mógł zastosować naszą strukturę - mówi Braun.

W Center for Integrated Nanotechnologies skonstruowano najmniejszą baterię na świecie. Jej anoda jest pojedynczym nanokablem, który jest siedem tysięcy razy cieńszy niż średnica ludzkiego włosa. Baterię zbudowano za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Metodologia, którą opracowaliśmy powinna pozwolić na symulowanie zjawisk mikroskopowych zachodzących w bateriach. Pozwoli nam to na lepsze zrozumienie mechanizmów decydujących od wydajności i niezawodności baterii - powiedział Jiyanyu Huang. Bateria Huanga to pojedynczy nanokabel tlenku cyny o średnicy 100 nanometrów i długości 10 mikrometrów (anoda), katoda z tlenku kobaltowo-litowego o długości 3 milimetrów oraz elektrolit. Konstrukcja pozwala uczonym na obserwowanie procesów w strukturze atomowej, zachodzących podczas ładowania i rozładowywania baterii. Uczeni już dokonali niespodziewanego odkrycia. Okazało się, że nanokabel podczas naładowywania niemal dwukrotnie zwiększa swoją długość. Dotychczas sądzono, że może zwiększać średnicę. Odkrycie to pozwoli na zapobieganie krótkim spięciom, które zmniejszają żywotność baterii.

Jedną z największych wad współczesnych baterii jest długi czas ich ładowania. To z kolei uniemożliwia upowszechnienie się np. elektrycznych samochodów. Niewykluczone jednak, że uczeni z Mississippi State University właśnie znaleźli sposób na przezwyciężenie tego problemu. Podczas ładowania baterii pole elektryczne przesuwa jony w kierunku grafitowej elektrody. Jednak jony, by zostać zatrzymane i przechowane w elektrodzie muszą przeniknąć barierę potencjału. Zespół pod kierunkiem Ibrahima Abou Hamada postanowił zbadać, jakie siły działają na jony w czasie, gdy się one przesuwają. Stworzyli komputerowy model składający się ze 160 atomów węgla ułożonych w 4 warstwy grafenu oraz 69 molekuł węglanu propylenu i 87 węglanu etylenu, które były modelowym elektrolitem. Do całości dodano dwa jony heksafluorofosforanu i 10 jonów litu. Do takiej konstrukcji uczeni przyłożyli wirtualne pole elektryczne, by zobaczyć, co się będzie działo. Okazało się, że gdy pole elektryczne popycha jony litu w kierunku grafenu, przeszkodą dla nich jest bariera potencjału. Dalsze badania wykazały, że barierę tę można bardzo łatwo pokonać. Wystarczy dodać oscylujące pole elektryczne do pola, które ładuje baterię. Wówczas jony litu bardzo łatwo przedostają się do grafenu i wiążą się z nim. To jednak nie wszystko. Uczeni zauważyli, że istnieje wykładnicza zależność pomiędzy amplitudą dodatkowego pola elektrycznego a prędkością przenikania jonów do grafenu. To oznacza, że niewielka zmiana amplitudy powoduje gwałtowne przyspieszenie tego procesu. Symulacja pokazała, że możliwe jest skonstruowanie urządzenia, które będzie bardzo szybko ładowało baterie. Naukowcy nie wykluczają, że może też ono zwiększyć gęstość mocy urządzenia. Przeprowadzenie fizycznych testów powinno być bardzo proste, możemy zatem przypuszczać, że już wkrótce się one rozpoczną. Niestety, nie oznacza to, że niedługo zobaczymy na naszych drogach samochody elektryczne z akumulatorami, które będzie można błyskawicznie naładować. Obecnie nie wiadomo bowiem, czy nowy sposób ładowania baterii nie skróci ich żywotności, ani jak długo mogą one przechowywać tak dostarczony ładunek.

Specjaliści Microsoftu wpadli na trop przyczyny, dla której użytkownicy notebooków informują się, że Windows 7 szybko zużywa baterie ich maszyn. Część osób, które korzystały z Windows Visty zaczęły informować, że po zainstalowaniu Windows 7 czas pracy na bateriach znacząco się skrócił. Wstępne badania sugerują, że problem nie tkwi w bateriach czy w samym systemie operacyjnym, ale w BIOS-ie komputerów. To z zawartych w nim informacji korzysta Windows 7, gdy informuje użytkowników o stanie baterii. Z nieznanych jeszcze przyczyn system operacyjny dostaje z BIOS-u informację, iż bateria wymaga ładowania, podczas gdy w rzeczywistości pracuje normalnie. Microsoft nawiązał współpracę z producentami sprzętu i wspólnie próbują znaleźć powód występowania problemów. Firma jednocześnie przypomina, by użytkownicy nie ignorowali wszystkich ostrzeżeń, gdyż mogą być one prawdziwe.

Na firmowym blogu Microsoftu ukazał się post, w którym Steven Sinofsky, szef wydziału zajmującego się produkcją Windows, wyjaśnia problem z bateriami w laptopach działających pod kontrolą Windows 7. Z wpisu wynika, iż system prawidłowo informuje użytkownika o potrzebie wymiany baterii. Po pojawieniu się w Sieci informacji o kłopotach, Microsoft zaczął kontaktować się z osobami raportującymi problemy na forach, zwrócił się o dane do centrów obsługi klienta i rozpoczął współpracę ze swoimi partnerami produkującymi sprzęt komputerowy, w celu wyjaśnienia przyczyn problemów. Sinofsky zauważa, że ani w Windows Viście, ani w Windows XP nie było narzędzia, które informowałoby użytkownika o potrzebie wymiany baterii. Nic więc dziwnego, że raporty takie pojawiły się dopiero po zmianie systemu operacyjnego na Windows 7. Autor wpisu przypomina, że w miarę upływu czasu baterie ulegają degradacji, a większość producentów udziela 12-miesięcznej gwarancji na takie urządzenia. Oznacza to, jak informuje Sinofsky, że statystycznie po upływie tego okresu powinniśmy zauważać naturalnie postępującą degradację baterii. Windows 7 korzysta z mechanizmów sprzętowych i programowych zawartych w samych laptopach do oceny stanu baterii. System otrzymuje m.in. informacje o producencie, numerze seryjnym, oryginalnej pojemności podanej przez producenta oraz ostatniej pojemności przy pełnym naładowaniu. Na tej podstawie dwóch ostatnich współczynników Windows 7 oblicza stopień degradacji baterii. Alert pojawia się, gdy wyniesie on 60%, co oznacza, że informacja o konieczności jej wymiany pojawi się, gdy np. bateria oryginalnie przeznaczona do 5-godzinnej pracy będzie w stanie zapewnić, średnio, jedynie 2 godziny pracy. Sinofsky zapewnia, że wszystkie zbadane dotychczas przypadki raportowania przez Windows 7 konieczności wymiany baterii dowodzą, że alerty wyświetlane są prawidłowo. Dodaje przy tym, że nikt zajmujący się tą sprawą nie spotkał się z alertem wszczynanym na komputerze nowym bądź z nowymi bateriami. Podobne informacje Microsoft uzyskał od producentów sprzętu komputerowego. Spośród 20 przypadków, które badali specjaliści Microsoftu (12 z nich stanowiły zgłoszenia bezpośrednio do firmy, a do 8 dotarto dzięki kontaktom z osobami z forów), nie znaleziono niczego, co sugerowałoby, iż problem może mieć inną przyczynę niż naturalna degradacja baterii. Rzecznik prasowa firmy Boston-Power uważa jednak, że sprawa nie jest tak oczywista. Jeśli bowiem pojawią się problemy z przekazywaniem informacji o stanie baterii z BIOS-u do systemu operacyjnego, to OS będzie wyświetlał nieprawidłowe informacje. Ta uwaga byłaby zgodna z pierwotnymi ustaleniami Microsoftu, który początkowo informował, że za problemy z alertami odpowiadają jakieś błędy w BIOS-ie. Wielu użytkowników, komentujących wpis Sinofsky'ego nie zgadza się z opiniami Microsoftu na temat przyczyn powstawania błędów. Przedstawiciel koncernu poprosił o kontakt osoby używające nowych lub z pewnością dobrze działających baterii, a którym Windows 7 wyświetlił komunikat o konieczności ich wymiany.

Cenione przez akwarystów za szybki wzrost, glony z rodziny gałęzatek (Cladophora) są śmiertelnym zagrożeniem dla ekosystemów. Te podwodne chwasty mogą jednak już niedługo przydać się do... produkcji nowych, bardziej przyjaznych dla środowiska baterii. Zmianę nastawienia wobec gałęzatek zawdzięczamy badaczom z uniwersytetu w szwedzkiej Uppsali. Dzięki wysiłkom pracującego na tej uczelni doktoranta Gustava Nyströma okazało się, że wyjątkowa forma celulozy, występująca wyłącznie u badanych glonów, stanowi doskonałą powierzchnią do tworzenia elektrod dla nowej generacji baterii. Swoją przydatność celuloza wyizolowana z gałęzatek zawdzięcza niezwykle wysokiemu stosunkowi powierzchni zewnętrznej do objętości. Pokrycie tego materiału warstwą przewodnika pozwoliło w związku z tym na stworzenie elektrody o ogromnej powierzchni wymiany ładunków z roztworem elektrolitu stanowiącego zasadniczą część baterii, czyli nośnik energii elektrycznej. Dzięki opłaszczeniu tej struktury [mowa o celulozie - red.] cienką warstwą przewodzącego prąc polimeru udało nam się stworzyć baterię, która waży tyle co nic, lecz posiada rekordowy czas ładowania oraz pojemność wśród baterii celulozowo-polimerowych, opisuje Nyström. O niezwykłej strukturze składnika wyizolowanego z glonów wiadomo było od dość dawna, lecz jej potencjalne zastosowania ograniczały się do wykorzystania w produkcji zagęstników do żywności i leków. Bateria stworzona przez szwedzkiego badacza osiąga pojemność rzędu 50 mAh na każdy gram wagi i traci zaledwie 6% pojemności po 100 cyklach ładowania i rozładowania. Pierwszy z parametrów nie jest być może powalający, lecz koszt produkcji baterii celulozowo-polipirolowych jest stosunkowo mały, a ich dodatkową zaletą jest niska uciążliwość dla środowiska. Szczegółowy opis prototypu opublikowało czasopismo Nano Letters.

Wystarczy zanurzyć kartkę papieru w tuszu wykonanym z węglowych nanorurek i srebrnych nanokabli, by błyskawicznie uzyskać baterię lub superkondensator - stwierdza profesor Yi Cui z Uniwersytetu Stanforda. Społeczeństwo potrzebuje tanich, wysoko wydajnych urządzeń przechowujących energię, takich jak baterie i proste superkondensatory - mówi uczony. Naukowiec mówi, że jego baterie są szczególne. Dzięki wykorzystaniu materiałow w skali nano, podstawowe elementy baterii są bardzo małe, przez co tusz z nanorurkami i nanokablami bardzo mocno przyczepia się do włókien papieru. To zaś powoduje, że baterie są niezwykle wytrzymałe. Superkondensator wykonany metodą proponowaną przez Cui jest w stanie wytrzymać 40 000 cykli ładowania/rozładowania, a więc znacznie więcej niż nowoczesne baterie litowe. Papierowe baterie mają też kolosalną zaletę - trudno je zniszczyć. Można je zmiąć, wygiąć, zanurzyć w roztworze kwasu lub zasady, a zachowają swoją wydajność. Nie sprawdzaliśmy jeszcze, co się stanie, gdy je spalimy - mówi Cui. Superkondensatory wykonane z papieru mogą być przydatne w przemyśle motoryzacyjnym. Mają bowiem dużą powierzchnię w stosunku do objętości, mogą więc przechowywać sporo energii. Ta technologia może zostać bardzo szybko skomercjalizowana. Nie sądzę, by jej zastosowanie ograniczyło się tylko do przechowywania energii. To potencjalnie tania, elastyczna elektroda dla każdego urządzenia elektronicznego - stwierdził profesor Peidong Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Zdaniem wynalazcy papierowych baterii, najbardziej przydadzą się one w przemyśle produkującym i dystrybuującym energię. Pozwolą bowiem w bardzo tani i prosty sposób przechowywać energię wyprodukowaną poza szczytem i uwolnić ją w szczycie.

NEC Electronics i Soundpower Corp. stworzyły prototypowego pilota, który do pracy nie potrzebuje baterii. Urządzenie wykorzystuje mechanizm generowania prądu z wibracji. Zasilanie, potrzebne pilotowi do działania, jest pozyskiwane ze słabych drgań, które powstają, gdy użytkownik naciska klawisze. Prototypowe urządzenie jest obecnie w stanie włączać i wyłączać telewizor, zmieniać poziom głośności i przełączać kanały. Prace nad nim trwają od grudnia 2006 roku. NEC i Soundpower zapowiadają, że pilot trafi na rynek najpóźniej w roku 2011.

Amerykański Departament Energii przekazał 5,13 miliona dolarów firmie Fluidic Energy, która powstała dzięki pracom naukowców z Arizona State University. Firma obiecuje wyprodukowanie baterii, które będą trzykrotnie tańsze od urządzeń litowo-jonowych, a jednocześnie będą charakteryzowały się 11-krotnie większą gęstością energetyczną. Jak zapewnia profesor Cody Friesen, jonowo-powietrzna bateria typu Metal-Air Ionic Liquid pozwoli, dzięki wykorzystaniu cieczy jonowych, poradzić sobie z większością problemów, z jakimi dotychczas borykały się powietrzne baterie. Obecnie produkowane baterie powietrzne korzystają z elektrolitu opartego na wodzie. Rozwiązanie takie ma jednak tę wadę, że woda może wyparować, a ponadto charakteryzuje się ona niską stabilnością elektrochemiczną, co powoduje, iż zaczyna się rozkładać już przy napięciu wyższym od 1,23 wolta. Z problemami tymi amerykańscy naukowcy próbują sobie poradzić od ćwierć wieku Na początku lat 80. lotnictwo USA eksperymentowało z cieczami jonowymi. To wspaniałe ciecze. Jeśli popatrzysz na nie, gdy są zamknięte w butelce, wyglądają jak woda, z tym wyjątkiem, że są bardziej lepkie. Nie są ulotne, nie parują, są fizycznie stabilne i dobrze przewodzą prąd elektryczny - mówi John Wilkes, szef wydziału chemii US Air Force Academy i ekspert od cieczy jonowych. Z kolei profesor Friesen, który przez ostatnich kilka lat wypróbowywał różne ciecze jonowe jako elektrolit mówi, że dzięki nim baterie nie tylko będą dłużej działały (zniknie bowiem problem parowania), ale zyskają też na gęstości elektrycznej. Zachowują one bowiem stabilność elektrochemiczną nawet do pięciu woltów, a więc pozwalają na wykorzystanie lepszych materiałów niż cynk. Dlatego też Friesen mówi, że jego firma, Fluidic Energy, stworzy za uzyskany od DoE grant baterie o gęstości od 900 do 1600 watogodzin na kilogram. Gęstość energetyczna obecnie stosowanych baterii litowo-jonowych wynosi nie więcej niż 160 Wh/kg. Obecnie największą wadą cieczy jonowych jest fakt, iż są one produkowane w niewielkich ilościach, a zatem są drogie. Friesen mówi jednak, że gdy rozpocznie się masowa produkcja takich cieczy, ich ceny spadną. Jeśli Amerykanom uda się dotrzymać słowa i powstaną zapowiadane przez nich baterie typu Metal-Air Ionic Liquid, to np. na naszych drogach zobaczymy samochody zdolne do pokonania 650-800 kilometrów na pojedynczym ładowaniu.

Instytut Fraunhofer informuje o opracowaniu technologii, która pozwala na drukowanie baterii. Urządzenia są niewielkie, lekkie, bardzo tanie i zapewniają wystarczające napięcie, by znaleźć szerokie zastosowanie. Drukowana bateria waży mniej niż 1 gram, a jej grubość nie przekracza milimetra. Może więc zostać zintegrowana np. z kartą płatniczą. Zapewnia przy tym napięcie rzędu 1,5 wolta, a dzięki dołączaniu kolejnych urządzeń możemy je zwiększać do 6 woltów. Nowa bateria składa się z cynkowej anody i katody z manganu. Reagują one ze sobą, wytwarzając prąd. To jednak prowadzi do ich stopniowego zużycia, a więc bateria może posłużyć tylko do zasilania przedmiotów, które mają działać przez ograniczony czas. Co interesujące, baterie można drukować tą samą techniką, która jest używana do tworzenia nadruków na podkoszulkach. Polega ona na przeciskaniu materiału drukującego przez szablon i umieszczanie go na odpowiednim podłożu. Możliwe jest zatem masowe produkowanie nowych baterii, których cena nie powinna być wyższa niż 10 centów.

Naukowcy od dawna szukają przenośnego pojemnego źródła energii, które w razie potrzeby szybko dostarczy dużych jej ilości. Obecnie z jednej strony mamy baterie, zdolne do przechowania dużych ilości energii, którą uwalniają jednak wolno, a z drugiej - mało pojemne kondensatory zapewniające szybkie dostawy energii. Naukowcy University of Maryland pracują nad kondensatorem, który posiada też właściwości baterii. Ich badania znajdują się dopiero w początkowej fazie, jednak już w tej chwili wiadomo, że nowy kondensator jest w stanie przechować 100-krotnie więcej energii niż tradycyjne urządzenia podobnej wielkości. W przyszłości tego typu kondensatory mogłyby trafić do samochodów elektrycznych czy przechowywać energię ze źródeł odnawialnych i uwalniać ją w razie potrzeby. Profesorowie Sang Bok Lee i Gary Rubloff z Maryland NanoCenter stworzyli matrycę kondensatorów elektrostatycznych. To najprostszy typ kondensatora, który przechowuje ładunek na powierzchni dwóch elektrod przedzielonych izolatorem. Jego pojemność jest wprost proporcjonalna do powierzchni elektrod. Amerykańscy naukowcy zwiększyli ją dzięki nanotechnologii. Elektrody zawierają liczne pory. Do ich produkcji akademicy wykorzystali szklaną płytę pokrytą aluminium. Następnie wykonano w nim pory poprzez wytrawianie kwasem i podłączenie prądu. Precyzyjne kontrolowanie warunków, w jakich przebiega cały proces, umożliwiło otrzymanie bardzo regularnej sieci porów o średnicy 50 nanometrów i głębokości 30 mikrometrów każdy. Następnie z tak przygotowanego aluminium tworzy się kondensator. W artykule opublikowanym w Nature Nanotechnology opisano 125-mikrometrowej szerokości matrycę, na której umieszczono milion kondensatorów. Jej powierzchnia jest 250 razy większa, niż powierzchnia klasycznego kondensatora o tych samych rozmiarach. Pojemność wspomnianej matrycy wynosi około 100 mikrofaradów na centymetr kwadratowy. O dużej pojemności decydują nie tylko pory w aluminium, ale również wyjątkowo małe odległości pomiędzy elektrodami. Grubość każdego z nanokondensatorów wynosi zaledwie 25 nanometrów. Bliskie sąsiedztwo kondensatorów powoduje, że można pomiędzy nimi przechować dodatkowe ładunki. Wszystko to razem czyni z matrycy urządzenie o wyjątkowej architekturze. To niesamowite. Mam nadzieję, że będą w stanie skalować swoje urządzenie - mówi Robert Hebner z University of Texas.

NEC informuje o dokonaniu przełomu w technologii ogniw ORB (organic radical battery). ORB to elastyczne baterie, które przypominają urządzenie litowo-jonowe, jednak nie zawierają szkodliwych dla środowiska pierwiastków (np. kobaltu czy litu), a wykorzystują organiczny składnik PTMA. Zalety ORB to również ich niewielkie rozmiary i krótki czas ładowania. NEC rozwija tę technologię od 2001 roku. Najnowszy prototyp wytrzymuje co najmniej 10 000 cykli ładowania/rozładowywania bez utraty pojemności i może być załadowany w ciągu sekundy. Ponadto, dzięki wykorzystaniu lepszej technologii nadrukowywania udało się bardziej równomiernie niż dotychczas rozłożyć elementy, przez co zmniejszono wewnętrzną oporność baterii. Gęstość energetyczna urządzenia wyniosła 5000 watów na litr, czyli trzykrotnie więcej, niż dotychczas. Testy wykazały, że ORB wielkości monety i grubości mniej niż 1 milimetr może dostarczyć prąd o maksymalnym natężeniu 1 ampera i mocy 2 watów. Podczas normalnej pracy dostarcza 100 miliamperów.

Na University of Illinois w Urbana-Champaign powstało najmniejsze znane nam ogniwo paliwowe. To kostka o wymiarach 3x3x1 milimetr. Być może w przyszłości miniaturowe ogniwa zastąpią baterie. Wielką zaletą ogniw jest znacznie większa gęstość energetyczna. Na tą samą jednostkę własnej powierzchni są w stanie zapewnić 10-krotnie więcej energii niż tradycyjna bateria. Jednak łatwiej jest zminiaturyzować baterię niż ogniwo z jego pompami i elektroniką kontrolną. Problem stanowi też fakt, iż małe pompy zużywają więcej energii niż jej dostarczają. Saeed Moghaddam z University of Illinois znalazł inny sposób produkcji ogniw. Mówi, że niepraktycznym byłoby miniaturyzowanie pompy, czujnika ciśnienia i całej elektroniki, a gdyby nawet jakimś sposobem udało się to zrobić, to całość zapewne zużywałaby więcej energii, niż byłaby w stanie wyprodukować. Dlatego też Moghaddam wraz z zespołem opracowali ogniwo paliwowe, które samo nie zużywa energii. Składa się ono z czterech elementów. Pojemnik z wodą znajduje się na górze i jest oddzielony cienką membraną od umieszczonego poniżej pojemnika z wodorkiem metalicznym. Pod nim z kolei znajduje się zespół elektrod membranowych (Membrane Electrode Assembly, MEA). W membranie znajdują się niewielkie otwory, które umożliwiają parze wodnej przeniknięcie do pojemnika z wodorkiem. Tam zachodzi reakcja, w wyniku której powstaje wodór. W komorze zwiększa się ciśnienie i wypycha w górę membranę, blokując dopływ pary wodnej. Wodór reaguje też z elektrodami, produkując energię elektryczną. Z czasem wodoru jest coraz mniej, ciśnienie się zmniejsza i para wodna znowu może się przemieszczać, podtrzymując reakcję. Dzięki temu, że ogniwo jest tak małe, to napięcie powierzchniowe, a nie grawitacja, kontroluje przepływ wody. Pierwsze miniaturowe ogniwa zapewniały napięcie rzędu 0,7 wolta przy natężeniu rzędu 0,1 miliampera i pracowały przez 30 godzin. Szybko je jednak ulepszano i już teraz udaje się osiągnąć 0,7 wolta oraz 1 miliamper. Steve Arscott z uniwersytetu w Lille, który specjalizuje się w mikroogniwach paliwowych nie jest pewien, czy ogniwa Amerykanów będą praktycznie użyteczne. Arscott mówi, że sam wyprodukował mikroogniowo, które korzysta nie z wodorku, ale z metanolu. Jego ogniwo jest trzykrotnie większe, jednak ma 10-krotnie większą gęstość energetyczną od ogniwa z Illinois. Jednak Arscott przestrzega przed bezpośrednim porównywaniem takich ogniw. Zauważa, że propozycja Amerykanów ma olbrzymią zaletę - ich ogniwo nie posiada zewnętrznego źródła paliwa, a większość ogniw takim źródłem się posługuje, co zmniejsza ich gęstość energetyczną. Ponadto ogniwo Moghaddama charakteryzuje się dobrą, bo wynoszącą 100 watów na litr, gęstością energetyczną.

Wkrótce na rynek trafią obiecujące baterie do notebooków, które opcjonalnie będą mogli zamówić posiadacze maszyn firmy HP. Nowe baterie nie tylko szybciej się ładują, ale mają pracować co najmniej przez trzy lata bez żadnego spadku wydajności. Bateria Sonata to dzieło firmy Boston-Power. Od początku przyszłego roku będą one sprzedawane z logo HP pod nazwą Enviro. W ciągu zaledwie 30 minut będzie można załadować 80% ich pojemności. Urządzenia wytrzymają 1000 cykli ładowania/rozładowywania bez spadku wydajności. Obecnie używane baterie zaczynają tracić swoje właściwości średnio po 300 cyklach. Użytkownicy tych modeli laptopów, do których będzie można używać Enviro, zapłacą 20-30 dolarów więcej, od analogicznego modelu ze standardową baterią. Początkowo Enviro będą dostępne tylko w Ameryce Północnej.

Co się stanie, gdy ze sobą połączymy dwa przewodniki i powleczemy je warstwą leku? Stworzymy w ten sposób miniaturową "baterię", która będzie stopniowo uwalniała swoją leczniczą zawartość. O odkryciu poinformowano podczas konferencji Medical Bionics w australijskim Melbourne. "Inteligentny" implant został zaprojektowany w oparciu o stenty - miniaturowe rurki o ażurowych ściankach, wszczepiane najczęściej do wnętrza naczyń krwionośnych. Ich zadaniem jest podtrzymywanie uszkodzonego naczynia i zapobieganie jego zapadaniu. Niektóre z nich są wykonane ze stopów magnezu, dzięki czemu są stopniowo utleniane i wypłukiwane pod wpływem przepływającej krwi. Zespół z australijskiego Uniwersytetu Wollongong poprowadzony przez Gordona Wallace'a postanowił rozwinąć ten wynalazek i wykorzystać go do nowego celu. Oprócz magnezu wykorzystano w nim przewodzący prąd polimer, który pokryto następnie warstwą leku przeciwzapalnego. Wstępne badania nad urządzeniem przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych. Rolę krwi spełniał płyn zawierający elektrolity, czyli substancje rozpadające się w roztworach wodnych na jony. Pod ich wpływem stent zamieniał się w miniogniwo elektryczne, którego anodę stanowiła magnezowa siatka, zaś rolę katody spełniało tworzywo sztuczne. Wraz z "rozładowywaniem się" ogniwa dochodziło do zmiany ładunków elektrycznych na powierzchni implantu, co pozwalało na stopniowe uwalnianie leku. Intensywność procesu była ściśle zależna od stężenia jonów w roztworze, co pozwala przypuszczać, że implant powinien podobnie reagować na różną szybkość przepływu oraz skład krwi w jego najbliższym otoczeniu. Aby dodatkowo ułatwić regulowanie tempa uwalniania leku zastosowano kolejną warstwę tworzywa sztucznego, tym razem posiadającego zdolność stopniowej biodegradacji. Pomysł Australijczyków, choć prosty, może się okazać bardzo przydatny. Autorzy oceniają, że może on posłużyć np. do wzbogacania stosowanych obecnie implantów, takich jak np. protezy stawów. Choć są one wykonywane ze stosunkowo pasywnego chemicznie tytanu, one także mogłyby, zdaniem Wallace'a, posłużyć jako matryca przechowująca zapas leku. Niestety, na razie nie wiadomo, czy i kiedy technologia ta zostanie dopuszczona do zastosowania w medycynie.

Firma SMK Corp., jeden z największych producentów pilotów do zdalnego sterowania, stworzyła pilota, który nie wymaga używania baterii. Urządzenie zostało oficjalnie zaprezentowane podczas wystawy TEXPO 2008, która odbywa się w Tokio. Pilot przypomina pistolet na wodę, a kontrola odbywa się za pomocą spustu. Wewnątrz pilota zamknięto m.in. cewkę indukcyjną, mechanizm szybkoobrotowy, obwód elektryczny oraz układ emitujący światło podczerwone. Gdy użytkownik naciska spust, cewka zaczyna bardzo szybko się obracać. Generuje ona pole elektromagnetyczne i dzięki temu błyskawicznie powstaje prąd o natężeniu 20-30mA. Wystarcza to do wykorzystania pilota na odległość kilku metrów. Pojedyncze naciśnięcie spustu powoduje zmianę kanału. Dwa szybkie naciśnięcia włączają lub wyłączają telewizor. Sterowanie głośnością odbywa się za pomocą naciśnięcia spustu i jednoczesnego przyciśnięcia guzika na obudowie. SMK na razie nie planuje rynkowego debiutu swojego prototypu.

Dzięki pracom naukowców z Uniwersytetu Stanforda na rynek mogą trafić baterie, które na pojedynczym ładowaniu zapewnią całodobową lub dłuższą pracę laptopa. Amerykańscy uczeni dokonali wielkiego przełomu, opracowując metodę wykorzystania krzemowych nanokabli w roli baterii litowo-jonowej. Standardowy laptop korzystający z takich baterii mógłby pracować nawet 40 godzin. Od co najmniej 30 lat uczeni wiedzą, że krzem ma olbrzymią teoretyczną pojemność elektryczną. Problem jednak w tym, że anoda stworzona z krzemu bardzo szybko ulega degeneracji podczas ładowania i rozładowywania. Przez kilkadziesiąt lat nikomu nie udało się rozwiązać tego problemu. Dokonał tego dopiero zespół profesora Yi Cui z Wydziału Wiedzy Materiałowej i Inżynierii Uniwersytetu Stanforda. Nową anodę baterii litowo-jonowej zbudowano z krzemowych nanokabli. Lit jest przechowywany wśród gęstego „lasu” takich kabli, z których każdy ma średnicę tysiące razy mniejszą od grubości kartki papieru. Kable te, gdy są zanurzone w licie, czterokrotnie zwiększają swoją objętość. Jednak, w przeciwieństwie do tradycyjnie wykorzystywanego grafitu, krzem nie zaczyna pękać. Profesor Cui mówi, że istnieją tylko dwie przeszkody na drodze do upowszechnienia się nowych baterii: należy je pomniejszyć i oszacować koszty produkcji. Uczony uważa, że w ciągu najbliższych lat krzemowe baterie trafią na rynek.

Rozładowująca się w nieodpowiednim momencie bateria laptopa czy aparatu cyfrowego może stanowić bardzo niemiłą niespodziankę. Tym bardziej, gdy jej ponowne naładowanie zajmuje co najmniej kilkadziesiąt minut. Dzięki pracom Toshiby już wkrótce w nasze ręce mogą trafić akumulatory, które załadujemy w ciągu 5 minut, a ich żywotność wyniesie nawet 10 lat. Akumulatory można ładować prądem o natężeniu nawet 50 amperów. Japońska firma ogłosiła właśnie, że stworzyła nowy typ baterii o nazwie Super Charge ion Battery (SCiB). Urządzenie można załadować do 90% pojemności w czasie krótszym niż 5 minut, a jego żywotność wynosi co najmniej 10 lat. Toshiba informuje, że opracowała nową katodę, nowy elektrolit, separator i nową technologię produkcji. Dopiero te wszystkie wynalazki razem pozwoliły na skonstruowanie SCiB. Japońska firma mówi, że po 3000 cyklach ładowania jej urządzenie traci zaledwie 10% pojemności. Ponadto bateria jest wyjątkowo bezpieczna, gdyż nowe materiały użyte do produkcji katody są bardzo odporne na wysoką temperaturę. Znacząco zredukowało to możliwość zapłonu w wyniku krótkiego spięcia czy niewłaściwej eksploatacji. W tej chwili Toshiba przygotowała dwa typy swoich baterii. Jedne o wymiarach 62x95x13 mm, które ważą 150 gramów, dostarczają prąd o napięciu 2,4 wolta a ich pojemność wynosi 4,2 amperogodzin. Drugi rodzaj to 2-kilogramowa bateria o wymiarach 10x30x4,5 cm i pojemności 4,2 Ah, która dostarcza napięcie 24 wolt. Pierwsze akumulatory nowego typu mają trafić na rynek już w marcu przyszłego roku.

Na współczesnym polu bitwy wykorzystywanych jest wiele nowoczesnych urządzeń: od noktowizorów po laserowe celowniki, od zaawansowanych systemów radiowych po notebooki. Wszystkie te urządzenia potrzebują źródła energii i tu właśnie pojawia się problem. Obecnie pluton amerykańskiej armii (40 osób), który wyrusza w samodzielną pięciodniową misję, musi zabierać ze sobą niemal 900 baterii siedmiu różnych typów. To spore obciążenie dla oddziału, tym bardziej, że baterie nie wystarczają na długo i może się zdarzyć, iż trzeba je wymieniać w czasie walki. Naukowcy pracujący na potrzeby wojska szukają sposobu na zdjęcie z żołnierzy obowiązku noszenia olbrzymiej liczby baterii, a jednocześnie zapewnienia jednostce odpowiedniej ilości energii. Firma Hills skonstruowała maszynę, która jest w stanie wytwarzać niezwykłą tkaninę. Można z niej będzie szyć mundury, które będą jednocześnie generatorami i akumulatorami energii. Maszyna firmy Hills potrafi tak ułożyć włókna, iż tkanina działa jak bateria, którą można doładowywać. Tkaninę można skonstruować też tak, iż możliwe będzie wszycie w nią elektrod oraz elektrolitu. Każdy żołnierz ubrany w taki mundur byłby więc ruchomą elektrownią. Może on działać jak ogniwo fotowoltaiczne lub ogniwo paliwowe. Urządzenie Hillsa to zmodyfikowana maszyna do produkcji włókien polimerowych. Jest ono w stanie tworzyć tkaninę z trzech różnych materiałów, dzięki precyzyjnej kontroli temperatury pracy z każdym z nich. Co więcej, urządzenie może pracować nie tylko z polimerami. Tworzy również tkaniny z metali i całego szeregu materiałów nieorganicznych. Najważniejszym jego ograniczeniem jest temperatura. Najwyższa, z jaką może pracować, wynosi 350 stopni Celsjusza, więc metale z których powstają tkaniny musza mieć niską temperaturę topnienia. Naukowcy informują, że maszyna Hillsa można pracować też z.... odpowiednio zmodyfikowanym wirusami. Profesor Angela Belcher z Massachusetts Institute of Technology stworzyła wirusy, które potrafią łączyć ze sobą materię nieorganiczną. Pani profesor wykazała, że jej wirusy mogą być przydatne przy produkcji elektrod i włókien. W przyszłym roku wspomniana maszyna trafi do Inżynieryjnego Centrum Badawczo-Rozwojowego Armii USA w Natick (U.S. Army Natick Soldier Research Development and Engineering Center), gdzie zostanie wykorzystana do stworzenia wielofunkcyjnych mundurów polowych.

W ciągu ostatnich miesięcy byliśmy świadkami całej serii awarii baterii litowo-jonowych. Wadliwe okazywały się urządzenia tak doświadczonych producentów jak Matsushita (Panasonic), Sony czy Sanyo. Skłoniło to ekspertów do przyjrzenia się samym technologiom produkcji baterii. Masataka Wakihara, z Tokijskiego Instytutu Technologicznego, który jest ekspertem ds. bezpieczeństwa baterii przy japońskim rządzie stwierdził: „Współczesne metody wytwarzania baterii litowo-jonowych obarczone są poważnym błędem. Jeśli producenci baterii naprawdę mają na uwadze bezpieczeństwo, powinni całkowicie zmienić wykorzystywane technologie. Baterie litowo-jonowe są dość niebezpiecznymi urządzeniami”. Japońscy eksperci zauważają, że obecnie stosuje się przeważnie baterie z płynnym organicznym elektrolitem, w których elektrody oddzielone są drogim tworzywem sztucznym. Te baterie są niezbyt bezpieczne. Jako alternatywę można wykorzystać stały polimerowy elektrolit. Byłyby one bardziej bezpieczne. Tu jednak pojawiają się problemy. Z jednej strony producenci, których baterie okazały się zawodne, już wiele miesięcy temu informowali, że ulepszyli technologie produkcji. Nie poinformowali jednak, jakie rozwiązania zastosowali i w których modelach baterii można je znaleźć. Z drugiej strony mniejsi producenci nie wiedzą, jakie byłyby koszty przejścia na stały elektrolit, więc pozostają przy ciekłym. Ten brak informacji i dokładnych danych powoduje, że producenci testują de facto baterie na użytkownikach. Firmy produkujące baterie wciąż się uczą, ponieważ technologia produkcji urządzeń litowo-jonowych jest wciąż nowa – mówi Wakihara.

W ramach programu European Polymer Solar Battery powstała samoładująca się bateria. Waży ona jedynie dwa gramy, ma grubość mniejszą niż 1 milimetr i jest elastyczna. Naukowcy połączyli polimerową baterię z organicznymi panelami słonecznymi. Bateria ładuje się po wystawieniu na światło słoneczne. Urządzenie można będzie stosować w kartach elektronicznych czy telefonach komórkowych. Dzięki temu, że jest elastyczna komórki mogą przybierać najróżniejsze kształty – bateria nie będzie ich ograniczała. Pojedyncza komórka baterii dostarcza napięcia rzędu 0,6 woltów. Dodając komórek można zwiększać napięcie dostarczane przez baterię. Problemem była ochrona samych komórek baterii, które ulegały degradacji po kilkugodzinnej ekspozycji na powietrze. Uczeni zamknęli je w gazowej kapsule, dzięki czemu życie baterii wydłużono do około 3000 godzin.

Akademicy z Saint Louis University stworzyli ogniwa paliwowe, które przetwarzają cukier w energię elektryczną i mogą współpracować z każdym źródłem cukru. Mogą więc być zasilane zarówno napojami chłodzącymi jak i syropami owocowymi. Działają przy tym 3-4 razy dłużej niż obecnie stosowane baterie litowo-jonowe. Nowe urządzenie korzysta z enzymów, które produkują prąd z cukru. Jedynym produktem ubocznym procesu jest woda. Co ważne, baterie są całkowicie biodegradowalne. Shelley Minteer, doktor elektrochemii na Saint Louis University mówi, że przeprowadzone badania dowiodły, iż odnawialne źródła energii mogą być wykorzystywane w bateriach w temperaturze pokojowej i wytwarzać przy tym więcej energii, niż źródła oparte na metalach. Badacze przetestowali w roli paliwa glukozę, słodzone napoje, żywicę i wodę odgazowaną wodę sodową. Wszystkie one spisały się dobrze. Gorsze rezultaty osiągnięto jedynie używając słodzonych napojów gazowanych. Najlepszym natomiast źródłe energii okazał się zwykły cukier rozpuszczony w wodzie. Minteer uważa, że "słodkie” baterie najpierw trafią do telefonów komórkowych, nie wiadomo jednak, kiedy to się stanie, gdyż jej badania były finansowane przez Departament Obrony i przede wszystkim on jest zainteresowany wykorzystaniem ich w praktyce. Naukowcy skupią się teraz nad przedłużeniem żywotności baterii i testowaniem ich w różnych warunkach środowiskowych. Na razie nie ma żadnych informacji dotyczących ewentualnej masowej produkcji nowych urządzeń.