Perché le batterie fanno schifo e come la tecnologia può risolverle

perché le batterie fanno schifo e come la tecnologia può ripararleMartin Abegglen / Flickr La richiesta record di caricabatterie esterni è una manifestazione del desiderio di gadget che possono durare per giorni senza legami, e che forte desiderio è: nel 2012, un sondaggio di JD Power and Associates ha rilevato che la durata della batteria, più di ogni altra caratteristica, ha contribuito all'insoddisfazione tra gli acquirenti di smartphone. È improbabile che sia cambiato oggi, quando lo smartphone medio può navigare sul Web solo per circa 8 ore prima di morire ... in Wi-Fi.

All'inizio, sembra che la colpa sia dei produttori di smartphone. Si potrebbe presumere che le batterie che alimentano le ammiraglie di Samsung, LG, Motorola, ecc siano scelte dai rispettivi ingegneri. La verità, però, è più sfumata: le batterie agli ioni di litio in quasi tutti i dispositivi oggi non sono cambiate radicalmente da quando sono uscite 23 anni fa. Questa lunga stagnazione ha costretto le aziende a scendere a compromessi sulle dimensioni dello smartphone, sulla durata della batteria o su entrambi. Un dispositivo come un telefono può essere sottile o può avere una durata della batteria decente.

Allora come siamo arrivati ​​esattamente a questo punto e dove stiamo andando? All'orizzonte si profilano design delle batterie migliorati, ma arriveranno mai sul mercato? Esistono nuove tecnologie per le batterie che hanno una reale possibilità di porre fine alla nostra dipendenza dagli ioni di litio e nel frattempo altre soluzioni aiuteranno a rendere le batterie di oggi sopportabili? Ci siamo sforzati di scoprirlo.

Come funzionano le batterie

Le prime batterie agli ioni di litio ricaricabili erano esplosive. Letteralmente. La Sony e la società chimica Asashi Kasei lo hanno imparato a proprie spese quando, nel 1991, la prima batteria al litio commerciale a base di metallo della società bruciava attraverso un telefono cellulare e provocava ustioni sul viso di un uomo.

Le batterie agli ioni di litio in quasi tutti i dispositivi oggi non sono cambiate radicalmente da quando sono uscite 23 anni fa.

Tuttavia, ciò non ha impedito alle celle agli ioni di litio di diventare la principale fonte di energia nei dispositivi portatili. La ragione? Sono molto più densi di energia rispetto alle alternative, per uno, ma anche relativamente esenti da manutenzione. A differenza di altre batterie, non richiedono scariche, non hanno memoria, non sperimentano accumuli di solfatazione che uccidono le cellule e contengono meno metalli tossici rispetto alla maggior parte delle altre batterie. Le batterie agli ioni di litio sono, in poche parole, una delle batterie più versatili prodotte in serie in circolazione.

Ma sono limitati in altri modi, principalmente la densità di energia. Il motivo, ha detto a CNET il vicepresidente del marketing di Leyden Energy Noam Kedem in un'intervista, è perché "[v] la densità di energia olumetrica diminuisce man mano che [le celle agli ioni di litio] si assottigliano perché la confezione occupa una percentuale maggiore del volume di energia". Cosa significa per il consumatore medio? Se vuoi una grande durata della batteria, dovrai scendere a compromessi sulle dimensioni.

Prendi questo esempio: il Nokia Lumia 1520 può durare fino a 107 ore con una carica, ma misura 6,4 pollici di diametro, le dimensioni di un phablet. Huawei Ascend Mate2 4G da 6,34 pollici dura all'incirca lo stesso. L'unico telefono più piccolo che si distingue nel regno dei giganti è l'Xperia Z3 Compact, che riesce a passare 101 ore in una buona giornata. Ma il raggiungimento di tale impresa ha richiesto ai designer di Sony di optare per un display 720p, una specifica periferica per uno smartphone al prezzo di $ 630.

Sony Xperia Z3 Compact Sony Xperia Z3 Compact

La parte veramente deludente è che anche quelle grandi batterie non dureranno molto a lungo. Apple valuta la batteria dell'iPhone all'80% della capacità per 50 ricariche, il che, supponendo che si carichi il telefono una volta a notte, è di circa un anno e mezzo.

Al di là di questi vincoli, c'è la questione della sicurezza. Le batterie agli ioni di litio di oggi potrebbero non essere pericolose come i modelli a base di metallo di un tempo, ma la forza contundente può ancora farle cortocircuitare, disintegrare o rilasciare gas nocivi. I guasti sono rari, ma i risultati possono essere drammatici: una batteria perforata due anni fa ha causato l'esplosione di una Tesla Model S in fiamme e un video virale illustra cosa può accadere quando si colpisce una batteria del Samsung Galaxy S5 con un martello.

Data la miriade di problemi, non sorprende che ci sia un forte desiderio sia dei consumatori che dei produttori di dispositivi di alternative più piccole, più dense e più sicure. Il corpo dell'indagine su questo fronte è promettente, ma il trucco, si scopre, non è necessariamente la ricerca, ma l'adattamento dei progetti per la produzione di massa. La riduzione dei costi associati alla fabbricazione e il raggiungimento dell'efficienza sono spesso la parte più difficile dell'introduzione di nuove batterie sul mercato.

Le batterie del futuro stanno arrivando, lentamente

Ci sono batterie migliori in arrivo, e alcune provengono da idee del passato. Prendi la ricerca dell'Università di Stanford, ad esempio. I primi progetti di batterie al litio contenevano anodi al litio, anodi trovati rapidamente inefficienti e non sicuri, ma gli scienziati di Stanford sono riusciti recentemente a risolvere questi problemi isolando il litio dall'elettrolita con uno speciale strato protettivo di nanostrutture di carbonio. Il risultato è il raddoppio, forse il triplo della durata della batteria.

Le batterie a base di sabbia hanno fino a 3 volte la capacità e la durata delle batterie tradizionali.

Una batteria al litio puro è il presunto successore delle batterie odierne: Yi Cui, responsabile tecnico del progetto Stanford, afferma che il materiale ha il potenziale "più grande" di tutti i materiali che possono essere utilizzati come anodi. Ma il problema è la produzione: il design del team di Stanford deve ancora raggiungere la soglia del settore richiesta per l'efficienza (99,9%) per la commercializzazione, e anche quando lo fa, la complessità della fabbricazione potrebbe comportare un prezzo elevato, da qualche parte nella gamma di $ 25.000 per quanto riguarda la batteria delle dimensioni di un veicolo, ha detto a Phys.org il segretario all'energia Steven Chu.

Ecco perché gli scienziati dell'Università della California Riverside si sono trasformati in sabbia. Hanno raccolto granuli con un'alta percentuale di quarzo, li hanno macinati con sale e magnesio e infine li hanno riscaldati per rimuovere l'ossigeno ed estrarre silicio puro. Il materiale finale ha fino a tre volte la capacità e la durata delle batterie tradizionali.

Ma le batterie dalla sabbia non sono ancora utilizzabili per i telefoni nelle nostre tasche. I ricercatori devono ancora scoprire un metodo per produrre la sabbia siliconica su larga scala; la batteria più grande che hanno prodotto fino ad oggi ha le dimensioni di una piccola moneta.

Kang Shin e il dottorando Xinyu Zhang Kang Shin e Xinyu Zhang

La barriera al mercato per i nuovi progetti è così grave che aziende di dispositivi come Apple, Google e Dyson hanno iniziato a lavorare direttamente con le aziende di batterie per accelerare lo sviluppo. Ma in assenza di scoperte significative, i produttori di hardware e software hanno sviluppato soluzioni alternative per soddisfare il nostro intenso desiderio di smartphone, tablet, auto elettriche e laptop di lunga durata.

Una delle cause del rapido consumo della batteria è il Wi-Fi: i telefoni moderni monitorano costantemente il traffico wireless nelle vicinanze, consumando molta energia esaminando i pacchetti e cercando canali chiari in ambienti pieni di segnali di interferenza. Il professore di informatica e ingegneria dell'Università del Michigan Kang Shin e il dottorando Xinyu Zhang hanno escogitato una soluzione, che chiamano E-MiLi (Energy-Minimizing Idle Listening).

E-MiLi risparmia energia rallentando il chip wireless interno mentre il Wi-Fi non è in uso, il che, secondo Shin e Zhang, si traduce in un risparmio energetico medio di circa il 44%. Inoltre, E-MiLi è compatibile con il 92% dei dispositivi mobili. Ma c'è un problema, come sempre: si basa su router wireless con firmware speciale per funzionare.

Altoparlante alimentato con supercondensatore in bambù elio Blueshift

Rich Shibley / Tendenze digitali

Un'altra idea su cui i ricercatori stanno rimuginando è la ricarica rapida. Questo è un termine generico che comprende tutto, dal software ottimizzato ai condensatori potenziati, ma il concetto è semplice: adattatori di alimentazione con cicli di ricarica molto, molto brevi. A metà del 2013, uno studente di 18 anni ha presentato un supercondensatore alla Fiera della scienza e dell'ingegneria di Intel in grado di caricare la batteria di uno smartphone in 30 secondi. L'altoparlante Blueshift Bamboo, che funziona secondo un principio simile, può caricarsi in pochi minuti e durare sei ore.

Alcuni caricatori supplementari sono molto più pazzi. Uno smartphone di lusso realizzato da Tag Heuer ha strati fotovoltaici che ricaricano la batteria dalla luce solare. I ricercatori della UC San Diego hanno creato un "tatuaggio della batteria" temporaneo che viene caricato dal sudore. E gli scienziati della Nokia e della Queen Mary University di Londra stanno attualmente lavorando a "nanogeneratori" progettati per generare elettricità da suoni come voci umane, traffico e musica.

Alcuni miglioramenti della batteria sono già in corso

Mentre i nuovi modelli di batterie continuano il loro inesorabile ma letargico arrancare verso la commercializzazione, le aziende di elettronica e software si trovano più o meno nella stessa posizione in cui sono state negli ultimi 23 anni: devono aggirare i limiti di una tecnologia obsoleta. Alcuni hanno avuto più successo di altri nel trattamento dei sintomi - LG ha implementato un design a ioni di litio a strati nel G2, ad esempio, che ha affermato di aumentare la capacità del 16 percento - ma finché le cause della bassa capacità e della scarsa longevità non vengono affrontate, non cambierà molto.

La sfortunata realtà è che, ad eccezione dei caricatori esterni e delle batterie di terze parti, non esiste ancora una buona alternativa alle batterie agli ioni di litio; la maggior parte della ricerca rimane nella fase di prototipo, le soluzioni provvisorie e aftermarket non sono poi così pratiche: il tuo prossimo smartphone non è molto probabile che abbia un pannello solare, un software Wi-Fi a risparmio energetico o nanogeneratori.

Non c'è nessun proiettile d'argento per i problemi degli ioni di litio del settore delle batterie in questo momento, ma abbiamo visto alcune scoperte da istituzioni come l'Università tecnologica di Nangyang, dove i ricercatori hanno sviluppato un anodo di biossido di titanio a ricarica rapida. Anche lo sviluppo di alternative sta accelerando. Ad aprile, gli scienziati della NASA hanno concesso in licenza una tecnologia in grado di convertire il calore dagli scarichi delle auto in elettricità utilizzabile e i ricercatori della società giapponese Fuji Pigment hanno compiuto passi verso la commercializzazione della tecnologia alluminio-aria, batterie con una capacità teorica 40 volte maggiore degli ioni di litio. .

Dagli ancora qualche anno

Certo, le batterie agli ioni di litio hanno i loro vantaggi: sono economiche, facili da produrre e relativamente stabili. Ma sono anche enormi e non durano a lungo. Non sorprende che ci sia una fame di alternative, e sebbene nessuna sia ancora davvero qui, c'è motivo di essere fiduciosi. Più ricercatori stanno affrontando il "problema degli ioni di litio" che mai. Anche alcuni modelli di batterie alternative si stanno avvicinando alla commercializzazione. E alcune delle mezze misure non sono poi così male nel frattempo: QuickCharge di Qualcomm, una cosiddetta tecnologia di ricarica rapida integrata in alcuni smartphone, accelera notevolmente la ricarica.

È vero che la campana a morto degli ioni di litio non è ancora arrivata, ma è più vicina che mai. Non è irragionevole prevedere che in cinque o meno anni, gli smartphone che durano meno di pochi giorni con una singola carica sembreranno positivamente (nessun gioco di parole) preistorici.