Eléctricos y electrónicos de la tecnología de película delgada cada vez más con la impresión, a menudo para proporcionar energía a los dispositivos electrónicos y eléctricos. Ahora, que incluso incluye el suministro de la energía que mueve el coche por la carretera. Electrónica impresa y eléctricos será una empresa 335 mil millones dólares en veinte años, sólo para los dispositivos principalmente realizados por la impresión con tintas electrónicas.
Más allá de esto se utiliza para la electrónica de película delgada en dispositivos que no están hechos principalmente de esta manera hasta el momento. Las baterías de tracción para los coches son un ejemplo de esto.
Las baterías de propulsión de coches
Las baterías de plomo ácido de energía fuera de los coches de carretera, donde el mal rendimiento es aceptable. La primera generación de baterías para los automóviles de carretera han tenido que ser mucho mejor. Baterías de automóviles híbridos necesitan para tolerar cien a un mil rápidas cargas y descargas a diario los motores eléctricos. Esto alivia el motor de combustión interna del ICE de los cambios de carga. Baterías de níquel metal hidruro de hacerlo bien. Un pequeño ICE por lo que pueden ser utilizados, reduciendo el consumo de combustible, el ruido y la contaminación. En los coches eléctricos puros, el rango debe ser diez veces mayor que la de un coche de golf, por lo que incluso más ligero, más compacto de las pilas son esenciales, las baterías de litio es la solución preferida, ya que incluso un peso más ligero y más pequeño que hidruro de níquel metal. Inicialmente, el tipo de batería de litio usadas se ha basado en un cátodo de cobalto empleado en teléfonos móviles y baterías de un portátil, pero éstos no son inherentemente químicamente seguro frente a la sobrecarga o sobrecalentamiento. A veces, manganeso, aluminio y / o de níquel se utilizan con cobalto en ese brebaje. Hoy en día, las baterías de tracción para vehículos híbridos y eléctricos puros rara vez emplean la tecnología de película delgada para cualquier parte - ánodo, cátodo, electrolito o para la película de separación que les impide vender al descubierto cuando la herida en la fábrica o distorsionados durante el uso.
La segunda generación - la nanotecnología de película fina
Segunda generación de baterías de tracción están empezando a aparecer, sustancialmente basado en la película delgada y la nanotecnología y con las mejores credenciales medioambientales de todos. Es un proceso lento debido a las pruebas y la repetición de pruebas normalmente dura cinco años y 300 años-hombre de esfuerzo. Estas nuevas baterías de tracción son más bajos en los costos, menor uso de materiales contaminantes, son más pequeños y más ligeros en peso y, sobre todo, son químicamente seguro contra sobrecarga y sobrecalentamiento. Ellos usan más barato de manganeso o el hierro de fósforo en el cátodo y, en ocasiones los tres elementos, pero no de cobalto. Los cátodos a menudo emplean la nanotecnología. Versiones adecuadas de la segunda generación de baterías de tracción, incluso puede cumplir el ciclo de trabajo híbrido ofreciendo al mismo tiempo el tamaño y la ganancia de peso más de hidruro de níquel metal. Ellos tienen un mejor rendimiento de la temperatura, aunque no todavía una ventaja de costos.
Para obtener la gran área de superficie de reacción más rápida y eficaz, se emplea la nanotecnología. Por ejemplo, un nuevo nanopartículas de fosfato de litio de cátodo material ha sido desarrollado en el Massachusetts Institute of Technology en 2009, que permite excepcionalmente rápido de carga. Umicore ahora se producen comercialmente y un fabricante de la batería ya ha firmado para usarlo. Un informe de IDTechEx nuevo "coche de tracción Baterías - La fiebre del oro de Nueva 2010-2020" explica que "logros rápidos" siguiendo con la mejora del cátodo, la atención pasa a las otras partes de la batería de tracción moderna. Por ejemplo, los separadores que se hacen a veces utilizando la tecnología de película delgada y los ánodos de grafito, tradicionalmente, se hacen a veces por la tecnología de película delgada utilizando nanotubos de carbono o nanopartículas de titanato de litio o en forma de nano. Altairnano afirma que su electrodo nanotitanate ofrece a sus baterías de propulsión de segunda generación con la mejor potencia y la densidad de energía con un record de garantía de una duración de doce años.
Persisten los retos
Sin embargo, siguen existiendo muchos desafíos, incluido el coste y el rendimiento inferior a menos diez grados centígrados. Estos serán superadas en los próximos años. De hecho, para las baterías de litio, el coste de fabricación se reducirá a una décima parte de la cifra correspondiente a 2009, llegando a sólo US $ 200 por kWh en 2020. Coches asequibles exclusivamente eléctricos están en el camino con un máximo de 100 kWh en la batería proporcionando cientos de kilómetros de alcance. Sión de alimentación se ha unido con BASF para traer de azufre de litio, baterías de tracción de tercera generación en el mercado basada en el carbono de película fina de construcción nanorod. 500 Wh / kg se prevé - muchas veces las cifras de cobalto litio convencionales o de hidruro metálico de níquel.
Por el contrario, las pilas de combustible tienen un lugar menos obvio. Tienen una carga constante y una infraestructura de alimentación de gas o líquido, como el ICE queremos sustituir, pero, a diferencia del hielo, la infraestructura de abastecimiento de combustible no es ni siquiera en su lugar. Problemas de costo, tiempo de puesta en marcha, etc siguen siendo difíciles de resolver. En una reciente conferencia de la batería de tracción en Londres, un investigador que había pasado de las pilas de combustible dijo que pensaba de ellos ", en la forma en que uno piensa de una esposa anterior."
Supercondensadores
En realidad, sólo la mitad de los costes y los conocimientos en un paquete de batería de automóvil se encuentra en las propias células. Paquetes de baterías de tracción y la electrónica de control de contener la seguridad, el aire o líquido de enfriamiento y, a veces supercondensadores en la batería para ayudar en la rápida carga y descarga. Incluso las baterías de propulsión de coches goteo cargos en casa necesitan de la tolerancia de carga rápida. Esto es porque los frenos de recuperación cuando el coche está en uso requiere la capacidad de carga rápida.
Frente a la densidad de energía de densidad de potencia de las diferentes opciones de
Supercondensadores tienen sus propios desafíos de los electrodos y la geometría de separación y la morfología y aquí de nuevo, nano de carbono, los nanotubos de carbono y la tecnología de película fina son que se ejerza. Por ejemplo, la Universidad del Sur de California anunció recientemente un nanocables de óxido de indio / supercapacitor nanotubos de carbono con una densidad de energía récord de 1,29 Wh / kg.
Supercabatteries
Los dispositivos que son la mitad de la batería, la mitad de supercapacitor también son prometedoras. Pueden dar lo mejor de ambos mundos - la larga vida, de menor tamaño y peso, rendimiento en la temperatura más baja - hasta menos 30 grados centígrados - y así sucesivamente.
Las nuevas capacidades
El punto de vista es que el helicóptero de película delgada y la nanotecnología es que ofrece nuevas capacidades no sólo los costos más bajos en los aparatos eléctricos y electrónicos. En uno de electrónica ve la memristors nuevo "el componente pasivo faltante", metamateriales y billones de nantennas para la luz y la cosecha de calor que sólo puede hacerse mediante el uso de la tecnología de película delgada.
Nuevos análisis
Los informes IDTechEx, nuevos en 2009, dar a los pros y los contras, explicar la química y la física, y el potencial de mercado en los próximos diez años y el perfil de muchos de los participantes. Entre ellas, "Nanotubos de Carbono y grafeno para aplicaciones de electrónica: Tecnologías, Jugadores y Oportunidades" y "compuestos inorgánicos y Electrónica impresa".
Evento más grande del mundo de la electrónica impresa "Printed Electronics EE.UU." tiene lugar en San José, EE.UU. diciembre de 2009. Los presentadores incluyen Premio Nobel Sir Harold Kroto hablar sobre arquitectura en nanoespacio, UCLA, Universidad de Stanford, y Nantero Canatu entre los que hablan en nanotubos de carbono, nueve organizaciones que cubran el rápido aumento de óxido de metal impresa y electrónica Hitachi, Nanomas y mostrar cómo incluso Novacentrix inorgánicos impresa actualmente la electrónica se pueden crear a temperatura ambiente. La nueva electrónica extensible e invisibles están cubiertos junto con diversas formas de poder imprimirse. Intel, Boeing, ST Ericsson, Xerox, Hewlett Packard, General Electric, DARPA, Kimberley Clark, P & G, el MIT y otras muchas organizaciones famoso va a presentar. Habrá una exposición, clases magistrales, visitas a centros locales de excelencia en la materia, la cumbre de la inversión y una importante reunión sobre la energía fotovoltaica nueva.
Electrical and electronic thin film technology increasingly involves printing, often for providing power to electronic and electrical devices. Now, that even includes providing the power that moves a car along the road. Printed electronics and electrics will be a $335 billion business in twenty years, just for devices primarily made by printing with electronic inks.
Beyond this are uses for thin film electronics in devices that are not primarily made in this way as yet. Traction batteries for cars are an example of this.
Car traction batteries
Lead acid batteries power off-road cars where poor performance is tolerable. The first generation of batteries for on road cars have had to be far better. Hybrid car batteries need to tolerate one hundred to one thousand fast charges and discharges to electric motors daily. This relieves the internal combustion engine ICE of load changes. Nickel metal hydride batteries do this well. A smaller ICE can therefore be used, reducing fuel consumption, noise and pollution. In pure electric cars, the range has to be ten times that of a golf car, so even lighter, more compact batteries are essential, lithium batteries being the preferred solution because they are even lighter weight and smaller than nickel metal hydride. Initially, the type of lithium battery used has been based on a cobalt cathode as employed in mobile phone and laptop batteries but these are not inherently chemically safe against overcharging or overheating. Sometimes manganese, aluminium and/or nickel are used with cobalt in that brew. Today, traction batteries for hybrids and pure electric cars rarely employ thin film technology for any part - anode, cathode, electrolyte or for the separator film that prevents them shorting when wound in the factory or distorted during use.
Second generation - thin film nanotechnology
Second generation traction batteries are now beginning to appear, substantially based on thin film and nanotechnology and with the best environmental credentials of all. It is a slow process because the testing and retesting typically takes five years and 300 man years of effort. These new traction batteries are lower in cost, use less polluting materials, are smaller and lighter in weight and, above all, are chemically safe against overcharging and overheating. They use cheaper manganese or iron phosphorous in the cathode and sometimes all three elements but no cobalt. The cathodes often employ nanotechnology. Appropriate versions of second generation traction battery can even meet the hybrid duty cycle while offering size and weight gains over nickel metal hydride. They have better temperature performance, though not yet a cost advantage.
To obtain large surface area for faster more efficient reaction, nanotechnology is employed. For example, a new nanoparticle lithium phosphate cathode material has been developed at Massachusetts Institute of Technology in 2009 that permits exceptionally fast charging. Umicore will now produce it commercially and one battery manufacturer has already signed up to use it. A new IDTechEx report, "Car Traction Batteries - The New Gold Rush 2010-2020" explains that following quick wins with cathode improvement, attention is turning to the other parts of the modern traction battery. For example, the separators are sometimes made using thin film technology and the anodes, traditionally graphite, are sometimes made by thin film technology using carbon nanotubes or nanoparticles or lithium titanate in nano form. Altairnano claims its nanotitanate electrode provides its second generation traction batteries with the best power and energy density and a record breaking guarantee of twelve years life.
Challenges remain
However, many challenges remain including cost and performance below minus ten degrees centigrade. These will be overcome in the next few years. Indeed, for lithium batteries, cost of manufacture will drop to one tenth of the figure for 2009, reaching a mere $200 per kWh in 2020. Affordable pure electric cars are on the way with up to 100 kWh in the battery providing hundreds of miles of range. Sion Power has joined with BASF to bring lithium sulfur, third generation traction batteries to market based on thin film carbon nanorod construction. 500 Wh/kg is envisaged - many times the figures for conventional lithium cobalt or nickel metal hydride.
By contrast, fuel cells have a less obvious place. They need constant load and a gas or liquid fuelling infrastructure like the ICE we wish to replace but, unlike ICE, that fuelling infrastructure is not even in place. Problems of cost, start up time etc remain intractable. At a recent traction battery conference in London, a researcher that had moved on from fuel cells said he thought of them, " in the way one thinks of one's last wife."
Supercapacitors
Actually, only half of the cost and knowhow in a car battery pack resides in the cells themselves. Traction battery packs contain control and safety electronics, air or liquid cooling and sometimes supercapacitors are in the battery pack to assist in fast charging and discharging. Even car traction batteries trickle charged at home need tolerance of fast charging. This is because regenerative braking when the car is in use requires fast charging capability.
Energy density vs power density of the different options
Supercapacitors have their own challenges of electrode and separator geometry and morphology and here again, nano carbon, carbon nanotubes and thin film technology are being brought to bear. For example, the University of Southern California recently announced an indium oxide nanowire/carbon nanotube supercapacitor with a record energy density of 1.29 Wh/kg.
Supercabatteries
Devices that are half battery, half supercapacitor are also showing promise. They may give the best of both worlds - long life, smallest size and weight, performance at lowest temperature - even minus 30 degrees centigrade - and so on.
New capabilities
The helicopter view is that thin film and nanotechnology is providing new capabilities not just lower costs in electric and electronic devices. In electronics one sees the new memristors "the missing passive component", metamaterials and trillions of nantennas for light and heat harvesting that can only be made by using thin film technology.
New analysis
IDTechEx reports, new in 2009, give the pros and cons, explain the chemistry and physics, and the market potential over the next ten years and profile many participants. They include, "Carbon Nanotubes and Graphene for Electronics Applications: Technologies, Players and Opportunities" and "Inorganic and Composite Printed Electronics".
The world's largest event on printed electronics "Printed Electronics USA" takes place in San Jose USA December 2009. Presenters include Nobel Prizewinner Sir Harold Kroto talking on Architecture in Nanospace, UCLA, Stanford University, Nantero and Canatu among those talking on carbon nanotubes, nine organisations covering the rapid rise of metal oxide printed electronics and Hitachi, Nanomas and Novacentrix showing how even inorganic printed electronics can now be created at room temperature. The new stretchable and invisible electronics are covered alongside various forms of printed power. Intel, Boeing, ST Ericsson, Xerox, Hewlett Packard, GE, DARPA, Kimberley Clark, P&G, MIT and many other famous organisations will present. There will be an exhibition, masterclasses, visits to local centers of excellence in the subject, investment summit and a major session on the new photovoltaics.
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