Előd
7 °C
16 °C

Egyre inkább akut probléma az akkuprobléma

466914027
2014.11.11. 10:59
Az akkumulátorok nem bírják a tempót. Hiába lesznek a telefonok egyre nagyobbak, szebbek és okosabbak, és hiába használhatók mindig új és új feladatokra, ha egyre gyorsabban le is merülnek. Az utóbbi években, sőt az elmúlt néhány hónapban viszont egyre többet hallani olyan kutatási eredményekről, amelyet megoldást kínálnak végre erre a helyzetre. Összeszedtük, mitől fogja tudni még tovább nyomkodni a telefonja billentyűit – állítólag nem is olyan sokára.

A mai telefonok üzemideje egyre távolodik a régi mobilok akár egyhetes üzemidejétől. Pedig a gyártók igyekeznek tartani a lépést a készülékek fejlődésével. Az egyik lehetőségük erre a méretnövelés, hiszen az egyre nagyobb kijelzők mögött egyre több a hely az akkunak is (bár ez növeli a telefon súlyát is). Ennek a jelenlegi csúcstartója a néhány hete megjelent Motorola Droid Turbo, amelynek már 3900 milliamperórás az akkumulátora. Ehhez jön még a turbotöltés-funkció, amellyel negyed óra alatt rá lehet dobni 8 órányi üzemidőt a lemerült telefonra. Speciális, valamivel nagyobb töltő kell hozzá, és a Qualcomm által kifejlesztett, Quick Charge 2.0 nevű technológia, amellyel a hagyományosnál nagyobb feszültséggel tölthetők a kompatibilis készülékek.

droid-inline1

Az LG-nél közben azzal próbálkoznak, hogy szabálytalan alakú akkukat zsúfoljanak a telefonba, hogy az utolsó milliméterig kitöltsék a helyet. A G2-nél például 16 százalékos kapacitástöbblet lett ennek az eredménye. Az idei CES kiállításon pedig több gyártónál lehetett látni érintőkijelzőbe épített napelemet.

Mindezzel ugyan nyerhetünk egy kis időt, de az alapprobléma nem oldódik meg, ahhoz ezeknél komolyabb fejlesztésekre lesz szükség. A kutatók alapvetően két irányból közelítik meg a kérdést: bírja olyan sokáig az akku, hogy nem merüljön le, vagy pedig ne legyen gond, hogy merül, mert úgyis folyamatosan kapja az utánpótlást.

Kis akkuhatározó

A jelenlegi sztenderd a lítiumion-akku (Li-ion). Ennek sok előnye van a korábban használt típusokhoz, például a Nikkel-metál-hidridhez (NiMH) képest. Nagyobb az energiasűrűsége, alacsonyabb az önkisülési vesztesége, és egyszerűbb a karbantartása is. Ugyanakkor a megnövekedett energiaszükséglethez egyre kevésbé elég a mai formájában, és a kapacitása is viszonylag gyorsan romlik a kémiai reakciók során.

A lítium-ionok két elektróda, a szénalapú anód és a fém-oxid katód között cikáznak. Az anód leggyakrabban grafitból, a katód pedig lítium-kobalt-oxidból, lítium-vas-foszfátból vagy lítium mangán-dioxidból készül. A kettő között az elektrolit vezeti az áramot: ebben az oldalban mozognak az ionok. Irányuk attól függ, hogy éppen töltjük vagy merítjük az akkut. 

Az akkuk élettartamát töltési ciklusokban szokás mérni. Egy ciklus egy teljes lemerítésnek megfelelő használat, ami úgy is kijöhet, ha például kétszer félig lemerítjük és újratöltjük a telefont. A hagyományos lítiumion-akkuk átlagosan 500 ciklusig bírják (legalábbis ezután rohamosan csökkenni kezd a kapacitásuk), de akár ezres nagyságrend is elérhető, a pontos élettartam pedig nagyban függ a környezeti hatásoktól (milyen a hőmérséklet) és a használat módjától is (mennyire hagyjuk egy-egy alkalommal lemerülni).

Felmerül, hogy hamar lemerül

Az első nagy kutatási irány tehát maguknak az akkuknak a fejlesztése. Még 2007-ben a Stanford Egyetem Yi Cui professzor által vezetett kutatócsoportja a Li-ion akkuk kapacitásának megtízszerezését ígérte. Ezt úgy érték el, hogy a szénalapú anódot nanoméretű szilíciumszálakkal helyettesítették. A szilícium jóval több energia tárolására képes, ugyanakkor sokkal sérülékenyebb is. Korábban is próbálkoztak már vele, de nem tudták elég strapabíróvá tenni, a nanocsövek azonban ellenállóbbnak bizonyultak a lítiumionok elnyeléséből és leadásából adódó térfogatváltozásokkal szemben.

healing-cracks
Fotó: C. Wang et al / Nature Chemistry

De még így sem volt elég stabil a szilícium-elektróda. Ezért Yi Cui és csapata 2013-ban előállt az öngyógyító akkuval. Ez az előző kutatás továbbvitele annyiban, hogy itt is szilíciummal helyettesítették a grafitot, de ezúttal kifejlesztettek hozzá egy öngyógyító mechanizmust, amely befoltozza az elektródákon keletkező repedéseket. Olyan polimerbevonattal látták el a szilíciumot, amely a tágulás során maga is megrepedezik, de az elektróda visszazsugorodásával új kötések keletkeznek a régiek helyén. Vagyis az anyag gyakorlatilag összeforr, így segít a szilíciumot is összerántani. De még ezzel az eljárással is csak 100 ciklust sikerült átvészelnie az elektródájuknak, ami messze van a telefonok 500-as átlag ciklusszámához képest.

Az előző két eredményt kombinálja a stanfordi csapat idén februári eredménye, a gránátalmára hasonlító akku. Itt is nanoméretű szilíciumrészecskékből készült az anód, amelyeket ezúttal szénburokkal vontak be. Az így kapott szemcsékből felépített anód ezer töltési ciklus után is 97 százalékos kapacitást tudott produkálni.

aku2
Fotó: Nian Liu, Zhenda Lu and Yi Cui/Stanford

De úgy tűnik, Yi Cuiék most már félévente előállnak egy-egy újabb áttöréssel. Idén júliusban megtalálták az akkuk Szent Grálját, amikor olyan akkut hoztak létre, amelyben a hagyományos lítium-ionos megoldással ellentétben maga az anód is tiszta lítiumból készült. Ez azért jó, mert így a szilíciumos változatnál is több áram tárolható, viszont a a lítium a nagyobb tágulástól még jobban repedezik. Sőt, az elektrolittal is túl heves reakcióba lép, így az gyorsabban elhasználódik, ráadásul túl sok hő is keletkezik közben, ami pedig tűzveszélyes. Mindezt úgy oldották meg, hogy egymáshoz kapcsolt szénkupolákból egy 20 nanométer vékony filmréteggel vonták be a lítiumot. Az így létrehozott nanogömbök a szilícium polimer- és szénbevonatához hasonlóan védik az érzékeny anyagot. Jelenleg még nem elég nagy a hatásfoka ennek az akkunak, de ha sikerül tovább javítani, akkor 3-4-szer nagyobb kapacitást is elérhet.

Közben amerikai és dél-koreai tudósok azzal is kísérleteznek, hogy nem a grafitanódot, hanem a katód fém-oxidját cseréljék ki más anyaggal. Arra jutottak, hogy egy speciális kialakítású kénkatóddal is nagyobb energiasűrűség és több ciklus érhető el, vagyis az akku lassabban merül le és többször lehet használni.

De a legújabb eredmény az akkuk hatékonyabbá tételének terén idén októberben, a Nanjangi Műszaki Egyetemen született. Csen Hsziao-tungék a lítiumion-akku anódjában a grafitot titán-dioxid nanocsövekből készült zselére cserélték. Mivel ezeknek a csöveknek az átmérője egy hajszálénak az ezredrésze, az elektronok a hagyományos anódnál sokkal hatékonyabban tudnak rajta áramolni. Ennek eredményeként egy ilyen akku 10 ezer töltési ciklust is kibír teljesítménycsökkenés nélkül. De nem csak sokkal strapabíróbb, hanem összemérhetetlenül gyorsabb is: akár 2 perc is elég neki, hogy 70 százalékig feltöltődjön. Legkorábban két év múlva kerülhet piacra, és már abba az irányba mutat, hogy nem elég a kapacitást növelni, az új akkuk töltésével is kezdeni kell valamit.

The Li-ion sleeps tonight

A másik út tehát az energiaprobléma kezelésére, hogy nem az akkut kell minél jobban felturbózni, hanem a töltés macerás folyamatát könnyíteni, vagy akár automatizálni. Ebben az irányban a legkezdetlegesebb lépés, hogy nyilvános helyen is legyen lehetőség a töltésre. Biztosan sokuknak ismerős élmény, amikor egy kávézóban olyan asztalt választanak, amelyiknél van konnektor, hogy addig is be lehessen dugni a kütyüket, amíg megisznak egy kávét.

Ebből a gyakorlatból hagyja ki a kávét az a londoni projekt, amely a város emblematikus piros telefonfülkéit zöld Solarboxokká, napenergiával működtetett mobiltöltő-állomásokká alakítja át. Az ötletgazdák szerint már úgyse használja senki a fülkéket telefonálásra, így viszont akár napi 100 mobil is feltölthető egy-egy állomáson, ahol 10 perc alatt 20 százaléknyi élet lehelhető a készülékbe. Eddig hat fülkét alakítottak át, jövő év végéig jön további öt.

Hasonló napelemes állomásokat kapott Boston is, de ott nem a helyi nevezetességeket tették tönkre ezért, hanem okospadokat telepítettek. A Soofa nevű projekt lényege, hogy azok a bostoniak, akik parkokban ülve szeretnek feltöltődni, ezentúl egyúttal a telefonjaikat is tölthessék ücsörgés közben.

Persze akár otthon, akár közterületen töltünk, segít, ha nem órákig kell kábelen lógva tartani a telefont. Ígéretes a már említett, 2 perces töltési idő, de érdemes fenntartásokkal kezelni az ilyen eredményeket, hiszen már 2009-ben ígérték a tudósok, hogy 2-3 év, és jön a 10 másodperc alatti mobiltöltés– aztán valahogy mégse jött.

Idén áprilisban bemutattak egy félperces megoldást is. Ehhez peptidekből felépített, biológiai alapú félvezetőket használtak a Tel-Aviv Egyetem kutatói. Valóban pillanatok alatt fel is pumpálták a tesztalanyként szolgáló Galaxy S4-et, de a töltő egyelőre még kezelhetetlenül nagy méretű. 2016-ra ígérik a kisebb és más telefonokkal is működő változatot.

BN-CG464 stored G 20140407153104

Nem feltétlenül kell azonban újfajta akku vagy töltő a hatékonyabb töltéshez, szoftveresen is gyorsítható a folyamat. A Qnovo nevű kaliforniai startup programja felméri, hogy éppen a töltéskor milyen állapotban van az akku, és ennek megfelelően szabályozza a feszültségszintet, amelyet az a töltőtől elfogad. Mindig a lehető legtöbb áramot kapja az eszköz, amit még biztonságosan elbír. A cég szerint ezzel harmadára csökkenthető a töltési idő, és az akku is lassabban használódik el. Jövőre már rákerülhet a szoftver néhány gyártó telefonjaira.

A levegőből veszi ki

De egyszerűbb a helyzet felhasználói szempontból, ha nem kell feltétlenül másodpercekre csökkenteni a töltési időt, mert a telefon folyamatosan és automatikusan kapja az energia-utánpótlást. Adná magát Széles Gábor energiacellája, hiszen a tervek szerint az a levegőből csatolná ki az energiát, de sajnos úgy tűnik, erről egyelőre le kell mondanunk.

A Nokia ugyanakkor valami hasonlóval kísérletezik már 2009 óta. Bizonyos értelemben ők is a levegőből vennék ki az áramot azzal, hogy a más elektronikus eszközök által kibocsátott elektromágneses sugárzást hasznosítják. A technológia hasonlóan működne, mint a beléptetőkártyák vagy a bolti lopásgátlók, amelyekben egy RFID-címke nevű rádiós csip van. Ez a leolvasó saját maga által sugárzott energiáját használja fel ahhoz, hogy válaszoljon neki. A különbség, hogy a Nokia töltője egyszerre sok frekvenciáról, sokféle eszköztől, és távolabbról gyűjtené be az energiát, így a sok kicsi használható mennyiséggé adódna össze. Ehhez kell egy antenna, amely befogja és árammá alakítja a mágneses hullámokat, a telefonban pedig egy csip ezzel töltené az akkut. Néhány milliwattonként tornásszák fel a technológia kapacitását, és Markku Rouvala, az egyik kutató szerint 50 milliwattal már lassan, de töltődne a telefon. A 3-4 éves piacra kerülés mindenesetre itt is késik.

Közben csak az utóbbi egy-két hónapban több olyan megoldást is bejelentettek, amelyek más-más technológiával, de szintén a telefon folyamatos energiaellátását próbálják biztosítani. Az akkuk wifije lehet például a uBeam nevű cég ultrahangos töltője. A routernek egy lapos, falra szerelhető töltőállomás felel meg. Ez ultrahanggá alakítja az áramot, amelyet a telefonhoz illeszthető átalakító konvertál vissza. Így ha egy lefedett helyiségben tartózkodunk, a mobilunk automatikusan kapja az áramot. A módszer előnye, hogy nagy távolságból is működik, komoly hátránya viszont, hogy a wifivel szemben nem hatol át a falon. És persze ez is „két éven belül” jön.

A vezeték nélküli töltés már ma is létezik, de az indukciós töltőkkel éppen az a gond, hogy csak közvetlen közelről működnek, így maximum a kábeleket lehet velük megspórolni. A jelenleg használt Qi-sztenderd néhány centis hatótávolságával szemben az MIT-n kifejlesztett MagMIMO nevű technológia viszont már most is 30 centit tud. Itt még inkább ül a wifis párhuzam, mert a kutatók a fejlettebb routerektől vették az ötletet, amelyek képesek érzékelni, ha egy eszköz csatlakozni próbál hozzájuk. Ilyenkor fel tudják erősíteni a jelet, és célzottan az azt kereső eszköz felé irányítani. Ezt hívják beamformingnak, csak ezúttal az elektromágneses hullám helyett a mágneses mezővel lövik a telefont. A cél itt is az, hogy elő se kelljen venni a zsebből a mobilt. Egyelőre 5 óra alatt sikerült feltölteni egy Iphone-t, de ha folyamatos a kapcsolat, akkor már nem is annyira érdekes, hogy mennyi ideig tart a töltés, hiszen a háttérben, észrevétlenül folyik.

Ami a csőből kifér

De hanggal is lehet már telefont tölteni. Ennek az alapja az úgynevezett piezoelektromos hatás, amely miatt bizonyos anyagok mechanikus nyomás hatására elektromosságot termelnek. A londoni Queen Mary Egyetem és a Nokia kutatói egy cink-oxid nanorudakból készült szerkezetet építettek a telefonba,mert ez az anyag olyan érzékeny, hogy már a hanghullámok fizikai behatásától is elkezd áramot termelni. Így akár beszédtől, zenétől vagy éppen a forgalom zajától is töltődik a mobil. Egyelőre ötvoltos áramot sikerült így előállítani.

És innen már tényleg csak a kreativitás szab határt a lehetőségeknek. Dél-Koreában készült már olyan termoelektromos generátor, amely a felhasználó saját testhőjét használja a hordható eszközök töltéséhez. De izzadtságmeghajtású tetovált bioelemmel, vagy éppen vizelettel hajtott akkuval is próbálkoznak, amely a szerves anyagok bomlásából állít elő energiát. Sőt cukorból is készült már akku, a jövő igazi energiatárolója pedig a cigarettacsikk lehet. De ezekkel már egyre inkább elrugaszkodunk a realitásoktól, és az általában igen szabadon értelmezett „néhány éven belüli” boltokba kerüléstől is egyre távolabb kerülünk.

kaist 1

A két út – a jobb akku és az egyszerűbb töltés – persze nem zárja ki egymást, hiszen a cél ugyanaz: több áram, kevesebb kábel, nagyobb mobilitás. Sok ígéretes projekt van ma is folyamatban, és ennek megfelelően az ígéret is sok. Hamarosan meglátjuk, mi lesz ezekből, de azért nem árt fenntartásokkal kezelni a szenzációs bejelentéseket, mert sokszor el se jutnak a gyakorlati alkalmazásig. Pedig egyre inkább itt lenne az ideje, mert amikor épp telefonálni/navigálni/zenét hallgatni/dolgozni/videót nézni/csetelni szeretnénk, akkor elég kellemetlen tud lenni, ha lemerül az akku, és a drága időt töltéssel kell tölteni.