Современный пользователь смартфона зачастую активно использует свой гаджет до 8 часов в день. И самым распространенным вопросом у посетителей любых организаций стал: «Где у вас можно зарядить телефон?» Сегодня о новых технологиях батарей для смартфонов мы поговорим с кандидатом экономических наук, доцентом кафедры математики и анализа данных Финансового университета при Правительстве РФ Фомичевой Татьяной Леонидовной.
Ближайший общий переход на стандарт связи 5G готовит нам постоянное подключение к облаку, фоновую работу искусственного интеллекта, наличие автономных модулей спутниковой связи, словом, превращение смартфона в полноценный мобильный центр управления, связи, работы и досуга. Вопрос автономности из удобства переходит в критическую необходимость и становится не одним из преимуществ конкретного устройства, а общим стандартом рынка. Если раньше прогресс измеряли мегапикселями камеры и частотой процессора, то теперь в центре внимания — ёмкость батареи, скорость зарядки и долговечность. В то же время традиционные литий-ионные батареи, работающие на принципе перемещения ионов лития между катодом и анодом через жидкий электролит, которые доминируют на рынке последние два десятилетия, практически достигли своего теоретического предела плотности энергии. Чем же их возможно заменить уже сейчас и в перспективе?
Нужно сказать, что ученые действительно озабочены этой проблемой и в мире на настоящий момент существует десятка полтора технологий альтернативных аккумуляторов в разной степени проработанности.
Лидером, дошедшим до серийного применения, здесь выступает кремний-углеродная технология. Правда, надо отметить, что кремний-углеродный аккумулятор - не принципиально новая разработка, а эволюция привычного литий-ионного элемента. Катод по-прежнему изготавливается из литийсодержащих материалов - оксидов лития-кобальта или лития-марганца, электролит модифицирован защитными присадками. Кардинальные изменения коснулись только анода: вместо чистого графита используется композит, где от 5 до 15% составляют наночастицы кремния в углеродной матрице, составляющей основную часть материала. Смысл замены в том, что теоретическая удельная электрическая емкость кремния в 9 - 10 раз выше, чем у графита, так как один атом кремния способен связываться с четырьмя ионами лития, а графит удерживает их кратно меньше. Но чистый кремний при насыщении литием существенно увеличивается в объеме, разрушая структуру электрода. В новом композите наночастицы кремния распределены в углеродном каркасе, служащем проводящим скелетом и буфером, гасящим механические напряжения. Таким образом, емкость батарей, в том же объеме, повысилась на 20 - 25%. Это позволило вывести на рынок модели смартфонов с батареями 8000 - 10000 мАч, а одна известная китайская фирма в середине октября начала продажу гаджета с батареей 11000 мАч.
В перспективе двух-трех лет, ожидается выход на рынок еще нескольких новых технологий аккумуляторов.
Сера - весьма распространенный элемент, зачастую являющийся отходом в каком-либо основном химическом производстве, что обеспечивает его дешевизну. На сегодняшний день одним из самых перспективных направлений считается разработка, где используются литий и сера. Теоретически такая батарея может иметь плотность энергии в 5 - 6 раз выше, чем существующие, обеспечив наше устройство недельным зарядом. Но пока не удается решить проблемы расширения серы при зарядке и ее растворении в электролите, приводящим к быстрой деградации аккумулятора.
Графеновые батареи. Графен - это материал из углерода, толщиной в один атом, который обладает исключительными свойствами. Использование графеновых нанотрубок в электродах в разы увеличивает площадь поверхности, где происходят химические реакции. Благодаря этому батарея обладает большей мощностью, возможностью очень быстрой зарядки (до 10 раз быстрее традиционных), эффективно рассеивает тепло, что позволяет экономить на системах охлаждения. Устройство способно выдержать без существенной деградации до 10 тыс. циклов перезарядки (традиционные - до 1 тысячи). Механически гибкая структура позволяет создавать аккумуляторы изогнутой формы. Однако, в данное время, объемы выпуска графена невелики, а цена довольно высока. Но тут существует обратная связь: при повышении спроса на графен, его производство будет развиваться и расширяться, что вызовет, в конечном итоге падение цен, делая данный материал все более доступным.
Твердотельные батареи. В них, как уже следует из названия, жидкий электролит заменяется твердым - из керамики, стекла или полимера. Такая замена позволила бы использовать чистый металлический литий в качестве анода, что теоретически удвоило бы плотность энергии батареи. Такие батареи более безопасны, чем традиционные, т.к. отсутствует горючая жидкость, и практически невосприимчивы к тепловому разгону. Они выдерживают 3 - 5 тыс. циклов перезарядки. Но пока имеются и непреодолимые сложности. Производство твердых электролитов требует высоких температур и давления, что вызывает сложности при масштабировании производства, в первую очередь, в плане стоимости. При низких температурах резко ухудшается ионная проводимость твердых электролитов. Поэтому сейчас разрабатываются более дешевые гибридные аккумуляторы, где часть электролита остается жидкой для улучшения проводимости, а часть заменена твердым материалом для стабильности.
Также создан прототип твердотельного аккумулятора на основе алюминия. Если удастся довести его до стадии коммерциализации, то это будет гигантский прорыв и в параметрах, и в низкой стоимости.
Мы оставили за пределами рассмотрения такие разрабатываемые, но довольно экзотические технологии, как батареи, работающие на органике, заряжаемые от звуковых волн, микросуперконденсаторы, нанобатареи, «ядерную» батарейку, и привели примеры технологий, которые уже внедряются или ожидается их внедрение в ближайшем горизонте событий (3 - 5 лет). Даже эти, можно сказать, начального уровня технологии способны существенно увеличить автономность гаджетов. А т.к. аккумуляторы мобильных устройств служат своего рода «полигоном» для других, более масштабных проектов, можно утверждать, что грядет настоящая революция в системах хранения энергии, в том числе, используемых в транспорте.