Uus energiasektor on viimasel ajal õitsenud. Täna räägime akude ja mobiiltelefonide akude arengust ja tööpõhimõtetest.

1. Aku tööpõhimõte

Seadet, mis suudab keemilist energiat, valgusenergiat, soojusenergiat jne otse elektrienergiaks muuta, nimetatakse akuks. See hõlmab keemiapatareisid, tuumapatareisid jne ning see, mida me tavaliselt akudeks nimetame, viitab üldiselt keemiapatareidele.

Praktilised keemilised patareid jagunevad primaarpatareideks ja akudeks. Patareid, millega me oma igapäevaelus kokku puutume, on peamiselt akud. Akut tuleb enne kasutamist laadida ja seejärel saab selle tühjaks laadida. Laadimisel muundatakse elektrienergia keemiliseks energiaks; tühjenemisel muundatakse keemiline energia elektrienergiaks.

Kui aku tühjeneb, kantakse vool positiivselt elektroodilt negatiivsele elektroodile läbi välise vooluahela. Elektrolüüdis edastatakse positiivsed ioonid ja negatiivsed ioonid vastavalt elektroodidele ning vool edastatakse negatiivselt elektroodilt positiivsele elektroodile. Kui aku tühjeneb, läbivad kaks elektroodi keemilise reaktsiooni ja vooluahel katkeb või toimub keemiline reaktsioon. Kui materjal on otsas, tühjendamine peatub.

Sõltuvalt aku sees kasutatud materjalidest võib aku olla laetav või mittelaetav. Mõned keemilised reaktsioonid on pöörduvad ja mõned on pöördumatud.

Aku mahutavus ja kiirus sõltuvad selle materjalist.

2 Mobiiltelefonide akude ajalugu

Mobiiltelefonide akud võib põhimõtteliselt jagada kolme etappi: Ni-Cd aku → Ni-MH aku →

Nende kolme etapi nimetustest näeme, et akudes kasutatavad peamised keemilised elemendid on muutumas ning akudes on rohkem tehnoloogilisi uuendusi. Võime isegi öelda, et ilma liitiumakudeta poleks tänapäeval mobiilset nutielu.

Kui mobiiltelefonid 1980. aastatel esmakordselt ilmusid, kutsuti neid ka “mobiiltelefonideks”. Nimest näeme, et see on tohutu. Peamine põhjus, miks see suur on, on selle suure aku tõttu.

1990. aastatel ilmusid Ni-MH akud, mis on väiksemad ja keskkonnasõbralikumad. Motorola staartoode StarTAC kasutab nikkelmetallhüdriidpatareisid, mis on piisavalt väikesed, et inimeste taju õõnestada. 328. aastal välja antud StarTAC1996 oli maailma esimene klapptelefon, mis kaalus vaid 87 grammi.

1990. aastate alguses ilmusid ka liitiumakud. 1992. aastal võttis Sony oma toodetesse oma liitiumaku, kuid kõrge hinna ja suurepärase võimsuse puudumise tõttu sai seda kasutada vaid enda toodetes. Seejärel on liitiumaku materjalide tehnoloogilise uuenduse ja tootmistehnoloogia arenguga selle võimsust ja maksumust parandatud ning see võitis järk-järgult rohkemate tootjate poolehoiu. Liitiumakude ajastu on ametlikult kätte jõudnud.

Liitiumaku ja Nobeli preemia

Kuigi mobiiltelefonide väljavahetamine areneb kiiresti, on mobiiltelefonide akude areng suhteliselt aeglane. Uuringute andmetel suureneb akude mahutavus vaid 10% iga 10 aasta järel. Mobiiltelefonide akude mahtuvust on lühikese aja jooksul peaaegu võimatu oluliselt suurendada, seega on ka mobiiltelefonide akude valdkonnas piiramatud võimalused ja potentsiaal.

2019. aasta Nobeli keemiaauhinna pälvisid liitiumpatareide valdkonnas tehtud töö eest professor John Goodenough, Stanley Whittingham ja dr Akira Yoshino. Tegelikult ennustavad mõned inimesed igal aastal enne võitu, kas liitiumakud võidavad. Liitiumakude edenemisel on ühiskonnale suur mõju ja panus ning nende auhinnad on igati ära teenitud.

Lähis-Ida sõja esimene naftakriis 1970. aastatel pani inimesed mõistma, kui oluline on vabaneda naftasõltuvusest. Uute energiaallikate sisenemine võib asendada nafta. Ka entusiastlikud riigid on akude uurimises ja arenduses loonud uusi tippe. Naftakriisi mõjuga loodab ta anda oma panuse alternatiivenergia valdkonnas.

Suure Paugu esimestel minutitel toodetud iidse elemendina avastasid liitiumi esmakordselt Rootsi keemikud liitiumioonide kujul 19. sajandi alguses. See on äärmiselt reaktiivne. Selle nõrkus seisneb reaktsioonivõimes, kuid see on ka selle tugevus.

Kui puhast liitiumit kasutatakse aku laadimiseks anoodina, tekivad liitiumdendriidid, mis võivad põhjustada akus lühise, tulekahju või isegi plahvatuse, kuid liitiumakudest pole teadlased kunagi loobunud.

Kolm Nobeli preemia laureaati: Stanley Whittingham oli esimene täisfunktsionaalne liitiumaku, mis töötas 1970. aastate alguses toatemperatuuril, kasutades väliste elektronide vabastamiseks võimsat liitiumiajamit;

Whittinghami aku suudab toota veidi üle kahe volti. 1980. aastal avastas Goodenough, et liitiumi koobalt kasutamine katoodis võib pinget kahekordistada. Ta kahekordistas aku potentsiaali ja suure energiatihedusega katoodmaterjal on väga kerge, kuid see võib teha tugevama aku. Ta lõi paremad tingimused kasulikumate akude arendamiseks;

1985. aastal töötas Akase Yoshino välja esimese kommertsroboti. Katoodiks valis ta liitiumkoobalthappe, mida Goodeneuf kasutas, ja asendas liitiumisulami aku negatiivseks elektroodiks süsinikuga edukalt. Ta töötas välja liitiumaku, millel on stabiilne töö, kerge kaal, suur võimsus, ohutu asendamine ja oluliselt vähendatud isesüttimise oht.

Just nende uurimustöö on liitiumpatareid viinud lugematutesse elektroonikatoodetesse, võimaldades meil nautida kaasaegset mobiilset elu. Liitiumakud on loonud sobivad tingimused traadita, fossiilkütustevaba uue ühiskonna jaoks ja toonud inimkonnale palju kasu.

Tehnoloogia ei peatu kunagi

Tol ajal kulus laadimiseks 10 tundi ja rääkimiseks 35 minutit, kuid nüüd kordavad meie mobiiltelefonid pidevalt. Laadimisprobleemid ei puuduta meid pikka aega nagu varem, kuid tehnoloogia pole kunagi seiskunud. Uurime endiselt suure mahutavuse, väikese suuruse ja pika aku tööea teed.

Seni kummitab liitiumakude dendriidiprobleem teadlasi endiselt kummitusena. Selle suure turvariskiga silmitsi seistes teevad teadlased üle kogu maailma endiselt kõvasti tööd. 90-aastane Nobeli preemia laureaat Goodenough on otsustavalt pühendunud tahkisakude uurimisele ja arendamisele.

Sõber, mida sa arvad uuest energiast? Milline on teie väljavaade akuvaldkonna tuleviku suhtes? Millised on teie ootused tulevaste mobiiltelefonide suhtes?

Tere tulemast jätma sõnumit, et arutada, pöörake tähelepanu mustade aukude teadusele ja tooge teieni huvitavam teadus.