Не доживающие до конца рабочего дня смартфоны и разряжающиеся под ноль после трех-четырех часов игр планшеты, по правде говоря, надоели. Мощность процессора и качество дисплея растет опережающими темпами, тогда как аккумуляторные батареи кардинально не меняются вот уже десять лет. Тем не менее, кое-какие подвижки в развитии источников автономного питания для мобильных гаджетов все же наблюдаются..
Можно выделить три ключевые проблемы, свойственные современным батареям для мобильных гаджетов. Первая – это дисбаланс между емкостью и габаритами литий-ионных аккумуляторов. Проще говоря, чтобы смартфон работал без подзарядки не один, а два дня, его приходится оснащать значительно более крупной и увесистой батареей.
Вторая проблема – довольно быстрый износ литий-ионных аккумуляторов. В теории они приходят в негодность спустя тысячу циклов заряда-разряда. На практике же из-за неправильных условий эксплуатации этот показатель обычно вдвое меньше. Правда, в случае смартфонов и планшетов быстрый износ не столь критичен, как для ноутбуков. Гонясь за модой, пользователи покупают новые мобильные гаджеты раньше, чем изнашиваются батареи старых.
И наконец, третья проблема – длительное время зарядки батарей. Тут получается палка о двух концах: зарядка аккумулятора мощным током происходит быстрее, но при этом он сильнее изнашивается. Тем не менее, ученым предстоит решить все три вышеупомянутые проблемы, а инженерам – в кратчайшие сроки поставить на конвейер источники автономного питания нового типа.
Содержание
Энергетическая плотность батарей
Аккумуляторы прошлого поколения (никель-кадмиевые) обладали энергетической плотностью 40 Вт*ч/кг. Это означает, что мощность типичной 50-граммовой батареи составляла всего-то 2 Вт*ч. С переходом на литий-ионную технологию энергетическая плотность аккумуляторов выросла более чем в два раза – до 100 Вт*ч/кг.
Принцип работы аккумуляторных батарей, независимо от применяемой в них технологии, довольно схож: при зарядке электрическая энергия превращается в химическую, а во время разрядки – наоборот. Энергетическая плотность аккумулятора зависит от материала электродов и находящегося между ними электролита.
В большинстве Li-ion-батарей электроды выполнены на основе литиевого соединения либо графита с ионами лития. Электролит же представляет собой безводную жидкость (вязкую массу) на основе литиевых солей. Но даже здесь наука еще не сказала своего последнего слова.
Замена жидкого электролита твердым
Новейшие разработки в области литий-ионных аккумуляторов принадлежат японской компании Toyota. Речь идет о Li-ion-батареях на основе твердого вещества: электроды сделаны из графита и оксидов лития и кобальта, а твердый электролит – из сульфидов. Подобные аккумуляторы обладают рекордной энергетической плотностью – до 245 Вт*ч/кг.
В отличие от Li-ion-батарей с жидким электролитом, батареи Toyota не страдают от перегрева, зато боятся контакта с водой, в том числе влажным воздухом. Над решением данной проблемы инженерам Toyota еще предстоит поломать голову. Тем не менее, старт производства аккумуляторов высокой плотности для гибридных автомобилей Toyota запланирован на 2015 год. Когда же именно данная технология перекочует на мобильные гаджеты, пока можно лишь гадать.
Увеличение площади химической реакции
Ускорить процесс зарядки батарей, а заодно и немного повысить их энергетическую плотность, можно путем наращивания площади соприкасания электродов с электролитом. Ученые из Политехнического института Ренсселира предлагают покрывать электроды микроскопическими частицами кремния, так называемыми «наночашечками». Конусовидные «наночашечки» способны сжиматься и растягиваться, чтобы выдерживать механические нагрузки во время поглощения и высвобождения ионов лития.
Альтернативное решение для ускорение зарядки батарей – биологическое – предлагают исследователи из Мэрилендского университета. Они предлагают наносить на электроды трубчатые вирусы табачной мозаики (частого гостя в лабораториях по исследованию нанотехнологий) и для фиксации покрывать их тончайшим слоем металла. То есть вирусы участия в химической реакции не принимают, а лишь служат для создания микроскопического рельефа.
Переломным моментом в технологии создания аккумуляторов может стать открытие ученых из Калифорнийского университета в Риверсайде. Они нашли природный пример дешевых наночастиц – зубы панцирных моллюсков, поросшие толстым слоем кристаллов магнетита (магнитного железняка).
Замена второго электрода «кислородным»
Компания IBM в сотрудничестве с Сент-Эндрюсским университетом Шотландии спроектировала ультрасовременный литий-кислородный аккумулятор. Один из электродов, как и электролит, у него самые что ни на есть обычные, а вот второй представляет собой пустотелую углеродную мембрану. Она-то и наполняется воздухом из окружающей среды, после чего кислород вступает в химическую реакцию с литием. Ожидается, что энергетическая плотность литий-кислородных батарей превысит в десять раз показатели традиционных Li-ion-решений. Жаль только, что задумка IBM еще очень далека до коммерческой реализации.
Новые сочетания химических веществ
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (LiFePO4) вовсе не являются новинкой и использовать их для некоторых задач выгоднее, чем литий-ионные. Имея сравнительно невысокую мощность, они заряжаются очень и очень быстро, что делает их подходящим решением, к примеру для авиамоделирования. Ученые из Массачусетского технологического института, подарившего миру немало открытий, создали литий-железо-фосфатную батарею, заряжающуюся всего за одну минуту. Уже полным ходом идут разговоры о том, чтобы начать применять LiFePO4-батареи еще и в мобильных гаджетах.
Меньше и тоньше
Увеличение энергетической плотности аккумуляторов, а также ускорение из зарядки, позволит создавать крохотные и, что не менее важно, утонченные батареи, например для носимых электронных гаджетов: умных наручных часов, очков дополненной реальности, а затем и аналогичных контактных линз.
Тончайшая реально существующая в данный момент батарея – дело рук инженеров из японского научно-исследовательского центра AMIC. Ее толщина составляет всего полмиллиметра. Находчивые японцы планируют размещать столь утонченные аккумуляторы на тыльной стороне солнечных батарей и дисплеев электронных книг.
Выводы
По всей видимости, ждать двух- или даже трехкратного прироста емкости аккумуляторов для мобильных гаджетов осталось совсем не долго – лет пять. Тогда как столь желанный десятикратный прирост станет реальностью не раньше чем в 2020-х.
Правда, это не означает, что мобильные гаджеты будут работать дольше. Производители электроники вряд ли не поддадутся искушению сделать их еще тоньше. То есть энергетическая плотность батарей вырастет, но из-за существенного уменьшения размеров время автономной работы останется прежним. Как говорится, мода требует жертв.