Аккумуляторы, которых нет: новейшие разработки. Новые виды аккумуляторов приходят на смену литий-ионным батареям

Каждый год количество устройств в мире, которые работают от аккумуляторных батарей, неуклонно возрастает. Не секрет, что самым слабым звеном современных устройств являются именно аккумуляторы. Их приходиться регулярно подзаряжать, они обладают не такой большой емкостью. Существующие аккумуляторные батареи с трудом позволяют добиваться автономной работы планшета или мобильного компьютера в течение нескольких дней.

Поэтому производители электромобилей, планшетов и смартфонов сегодня заняты поиском возможностей сохранения значительных объемов энергии в более компактных объемах самого аккумулятора. Несмотря на разные требования, предъявляемые к батареям для электромобилей и мобильных устройств, между ними можно легко провести параллели. В частности, известный электрокар Tesla Roadster питается от литий-ионной батареи, разработанной специально для ноутбуков. Правда, для обеспечения электроэнергией спортивного автомобиля инженерам пришлось использовать более шести тысяч таких элементов питания одновременно.

Идет ли речь об электромобиле или мобильных устройствах, универсальные требования к аккумулятору будущего очевидны – он должен быть меньше, легче и накапливать значительно больше энергии. Какие перспективные разработки в этой области могут удовлетворить данные требования?

Литий-ионные и литиево-полимерные батареи

Литий-ионный аккумулятор фотоаппарата

На сегодняшний день в мобильных устройствах наибольшее распространение получили литий-ионные и литиево-полимерные батареи. Что касается литий-ионных аккумуляторов (Li-Ion), то они производятся еще с начала 90-х годов. Их главное преимущество – достаточно высокая энергетическая плотность, то есть способность сохранять определенный объем энергии на одну единицу массы. Кроме того, в таких батареях отсутствует пресловутый «эффект памяти» и имеется сравнительно низкий саморазряд.

Использование лития вполне обоснованно, ведь этот элемент обладает высоким электрохимическим потенциалом. Недостатком всех литиево-ионных батарей, коих на самом деле в настоящее время насчитывается большое количество видов, является достаточно быстрое старение аккумулятора, то есть резкое снижение характеристик при хранении или длительном использовании батареи. К тому же, потенциал емкости современных литий-ионных батарей, судя по всему, уже практически исчерпан.

Дальнейшим развитием литий-ионной технологии являются литиево-полимерные источники питания (Li-Pol). В них вместо жидкого электролита используется твердый материал. В сравнении со своим предшественником, литиево-полимерные батареи имеют более высокую энергетическую плотность. Вдобавок, теперь стало возможным производить батареи практически в любой форме (литий-ионная технология требовала только цилиндрической или прямоугольной формы корпуса). Такие батареи обладают небольшими габаритами, что позволяет с успехом применять их в различных мобильных устройствах.

Однако появление литиево-полимерных батарей кардинальным образом не изменило ситуацию, в частности, потому, что такие батареи не способны отдавать большие токи разряда, а их удельная емкость все же недостаточна, чтобы избавить человечество от необходимости постоянной подзарядки мобильных устройств. Плюс ко всему, литиево-полимерные аккумуляторы довольно «капризны» в эксплуатации, они имеют недостаточную прочность и склонность к возгоранию.

Перспективные технологии

В последние годы ученые и исследователи в различных странах активно работают над созданием более совершенных технологий аккумуляторных батарей, способных уже в ближайшем будущем прийти на смену существующим. В этом плане можно выделить несколько наиболее перспективных направлений:

— Литий-серные батареи (Li-S)

Литий-серный аккумулятор – перспективная технология, энергоемкость подобной батареи в два раза выше, чем у литий-ионных. Но в теории она может быть еще выше. В таком источнике питания используется жидкий катод с содержанием серы, при этом он отделен от электролита особой мембраной. Именно за счет взаимодействия литиевого анода и серосодержащего катода была существенно увеличена удельная емкость. Первый образец подобного аккумулятора появился еще в 2004 году. С того момента был достигнут определенный прогресс, благодаря чему усовершенствованный литий-серный аккумулятор способен выдерживать полторы тысячи циклов полной зарядки-разрядки без серьезных потерь в емкости.

К преимуществам данного аккумулятора также можно отнести возможность применения в широком диапазоне температур, отсутствие необходимости в использовании усиленных компонентов защиты и сравнительно низкую себестоимость. Интересный факт – именно благодаря применению такого аккумулятора в 2008 году был поставлен рекорд по продолжительности полета на воздушном судне на солнечных батареях. Но для массового выпуска литиево-серного аккумулятора ученым еще придется решить две основные проблемы. Требуется найти эффективный способ утилизации серы, а также обеспечить стабильную работу источника питания в условиях смены температурного или влажностного режима.

— Магниево-серные батареи (Mg/S)

Обойти традиционные литиевые батареи могут и аккумуляторы, базирующиеся на соединении магния и серы. Правда, до последнего времени никто не мог обеспечить взаимодействие этих элементов в одной ячейке. Сам магниево-серный аккумулятор выглядит очень интересным, ведь его энергетическая плотность может доходить до более чем 4000 Вт-ч/л. Не так давно благодаря американским исследователям, по всей видимости, удалось решить основную проблему, стоящую на пути разработки магниево-серных батарей. Дело в том, что для пары магний и сера не было никакого подходящего электролита, совместимого с этими химическими элементами.

Однако ученые сумели создать такой приемлемый электролит за счет образования особых кристаллических частиц, обеспечивающих стабилизацию электролита. Образец магниево-серного аккумулятора включает в себя анод из магния, сепаратор, катод из серы и новый электролит. Впрочем, это только первый шаг. Перспективный образец, к сожалению, пока не отличается долговечностью.

— Фторид-ионные батареи

Еще один интересный источник питания, появившийся в последние годы. Здесь за перенос зарядов между электродами отвечают анионы фтора. При этом анод и катод содержат металлы, преобразующиеся (в соответствии с направлением тока) во фториды, либо восстанавливающиеся обратно. Благодаря этому обеспечивается значительная емкость батареи. Ученые заявляют, такие источники питания имеют энергетическую плотность, в десятки раз превосходящую возможности литий-ионных батареек. Помимо значительной емкости, новые аккумуляторы также могут похвастаться существенно меньшей пожароопасностью.

На роль основы твердого электролита было перепробовано множество вариантов, но выбор, в конечном счете, остановился на лантане бария. Хотя фторид-ионная технология кажется очень перспективным решением, она не лишена недостатков. Ведь твердый электролит может стабильно функционировать лишь при высоких температурах. Поэтому перед исследователями стоит задача отыскать жидкий электролит, способный успешно работать при обычной комнатной температуре.

— Литий-воздушные батареи (Li-O2)

В наши дни человечество стремится к использованию более «чистых» источников энергии, связанных с генерацией энергии солнца, ветра или воды. В этом плане очень интересными представляются литий-воздушные батареи. В первую очередь, они рассматриваются многими экспертами в качестве будущего электромобилей, но с течением времени могут найти применение и в мобильных устройствах. Такие источники питания обладают очень высокой емкостью и при этом сравнительно малыми размерами. Принцип их работы следующий: вместо оксидов металла в позитивном электроде применяется углерод, который вступает в химическую реакцию с воздухом, в результате чего создается ток. То есть для выработки энергии здесь частично используется кислород.

Использование кислорода в качестве активного материала катода имеет свои существенные преимущества, ведь он является практически неисчерпаемым элементом, а самое главное, абсолютно бесплатно берется из окружающей среды. Считается, что плотность энергии у литий-воздушных батарей сможет достигать впечатляющей отметки в 10 000 Втч/кг. Может быть, в недалеком будущем подобные батареи смогут поставить электромобили в один ряд с машинами на бензиновом двигателе. Кстати, аккумуляторы подобного типа, выпущенные для мобильных гаджетов, уже можно встретить в продаже под названием PolyPlus.

— Литий-нанофосфатные батареи

Литий-нанофосфатные источники питания – это следующее поколение литиево-ионных батареек, которые характеризуются высокой отдачей тока и сверхбыстрой зарядкой. Для полной зарядки такой батареи требуется всего пятнадцать минут. Они также допускают в десять раз больше циклов зарядки в сравнении со стандартными литий-ионными элементами. Таких характеристик удалось добиться благодаря использованию особых наночастиц, способных обеспечить более интенсивный поток ионов.

К достоинствам литий-нанофосфатных батарей можно отнести также слабый саморазряд, отсутствие «эффекта памяти» и способность работать в условиях широкого диапазона температур. Литий-нанофосфатные батареи уже доступны в продаже и применяются для некоторых типов устройств, однако их распространению мешает необходимость в специальном зарядном устройстве и больший вес в сравнении с современными литий-ионными или литийево-полимерными аккумуляторами.

В действительности, перспективных технологий в области создания аккумуляторных батарей гораздо больше. Ученые и исследователи работают не только над созданием принципиально новых решений, но и над улучшением характеристик существующих литий-ионных батареек. Например, за счет использования кремниевых нанопроводов или разработки нового электрода, обладающего уникальной способностью к «самозаживлению». В любом случае уже не за горами тот день, когда наши телефоны и другие мобильные устройства будут жить целые недели без подзарядки.

Редкий владелец iPhone при активной работе вечером не ставит смартфон на зарядку. Чего уж там, большинство конкурентных аппаратов аналогичного уровня тоже страдают от прожорливого ПО и скупой ёмкости батареи не меньше. Розетка или прикуриватель зачастую выручают расточительных на mAh пользователей, но бывают ситуации, когда остаётесь только вы, айфон и красный индикатор, грозящий обесточить девайс. Как раз для подобных случаев и были придуманы так называемые Power Bank s, готовые в любой момент времени подпитать технику энергией. Мы решили помочь потенциальным покупателям с выбором и отсеяли семь самых качественных внешних аккумуляторов , отличающих качественной сборкой, дизайном, весом и прочими параметрами.

Практика показала, что доверять следует исключительно брендовым производителям обозреваемых аксессуаров, так как китайский рынок только привлекает 100 000 mAh за 2-3 тысячи рублей, но на деле получателю достаются набитые болтами коробочки или недостаток самих батареек внутри, количество которых способно зарядить iPhone максимум раза полтора. Самое главное, бренд предоставляет реальную ёмкость, позволяющую более-менее подсчитать количество полных зарядок устройства. Поэтому никаких кустарных производителей, только маститые бренды!

Mi Power Bank 16000 mAh

Открывает парад внешних аккумуляторов довольно известный китайский производитель Xiaomi . Его мощностей хватило на 3 энергетических резервуара ёмкостью 5000, 10400 и 16000 mAh. Из-за специфики материала возьмём максимальную версию. Официальный сайт обещает 5 полных зарядок iPhone 6, аккумулятор которого рассчитан на 1810 mAh. С помощью этих данных можно легко подстроиться под остальные устройства, зная их ёмкость.

Внешне Mi Power Bank выглядит весьма приземлённо и стильно, даже создаётся ощущение, будто Джони Айв не терял времени даром в какой-нибудь китайской командировке. Он напоминает небольшой алюминиевый пульт от слегка устаревшего телевизора, только его выдаёт вес в 350 г и отсутствие кнопок сверху. Зато есть одна большая клавиша включения, рядом с которой расположились индикаторы заряда внешнего аккумулятора, вход micro USB для подключения к источнику питания и два выхода USB, ответственных за выведение вашей техники из предсмертного состояния.

Такой вот лёгкий, компактный, доступный во множестве расцветок, и вместительный Power Bank имеет лишь один минус — и это не цена, которая, кстати, даже не превышает планку 2000 рублей ! Аккумулятор Mi очень любят подделывать, поэтому процесс покупки превращается в лотерею, но, к счастью, даже отечественные дилеры приготовили весьма демократичные предложения .

Anker 2nd Gen Astro E5 16000 mAh

Особо не отличающееся размером от Mi Power Bank детище Anker уже внешне заманивает покупателя элегантным чёрным корпусом с «влитыми» индикаторами, обозначающими заполненность аккумулятора. Деловитость Anker 2nd Gen Astro E5 выдаёт ещё и наличие чехольчика для переноски, которым вы можете интриговать окружающих, ассоциирующих слово «анкер» исключительно с крепежом и болтами.

Версия E5 с 16000 mAh на борту обеспечит 6.2 полных зарядок iPhone 6 (1810 mAh), 1.3 зарядки iPad Air (8850 mAh) и т.д. Энергетические возможности более-менее идентичны Mi. Кстати, вы уже убедились в том, что расходуется не вся заявленная ёмкость, а куда меньший объём? Количество полных зарядок зависит от нескольких факторов, о которых мы расскажем в отдельном материале. Это не жульничество производителя, а технические тонкости, поэтому не переживайте и читайте дальше.

Интересная фишка этого аккумулятора — IQ зарядка. Эта эксклюзивная опция, по словам разработчиков, быстрее распознаёт подпитываемый аппарат и наполняет батарейку. Оба выхода USB снабжены данной технологией. Между ними логично расположился Micro USB для зарядки самого Astro E5. Рядом есть сигнальный фонарь, загорающий во включённом состоянии. А за вход в него отвечает клавиша на корпусе сбоку. Короткое нажатие по ней отображает оставшиеся mAh в Power Bank, сильное же давление включает и выключает устройство.

Придраться тут можно к маркости корпуса, который любит собирать отпечатки пальцев похлеще Touch ID. Во всём остальном Anker постарались на славу: модный вид, батареи LG, двойная IQ-зарядка, ценник в $40 . Доставку в Россию Amazon организовать не может, но на помощь придут сервисы-посредники, способные переправить посылку через океан даже за $10 .

RAVPower® Xtreme 23000 mAh

В ресторанах предусмотрены порции для больших компаний, а в мире внешних аккумуляторов есть RAVPower Xtreme 23000 mAh . Он и сам большой — едва не дотягивает до iPad mini, но его можно понять: таким громадным девайсом можно прокормить даже ноутбук! iPhone 6 заряжается целиком 8.2 раза, iPad Air — 1.68. Для раздачи энергии выведены 2 USB-порта и 2 альтернативных выхода, к которым подключается целый ворох переходников, идущих в комплекте.

Почти 600 г лития заключены в брутально-сдержанном корпусе, где отчётливо выделяются клавиша включения и небольшой экранчик, показывающий текущий заряд RAVPower Xtreme. Не нужно догадываться по огонькам — аппарат выдаёт очевидные проценты и не морочит голову.

Потратить на данный Power Bank придётся 99$ . Ситуация с доставкой — как и у продукта Anker. Нужно пользоваться услугами посредников.

UNU Ultrapak Tour 10000 mAh

Оказывается, можно завоёвывать аудиторию не только сумасшедшей ёмкостью, дизайном или доступностью! UNU Ultrapak Tour предстал эдаким исключением из правил, так как отличился скоростной зарядкой самого себя. Да-да, вы правильно поняли, этот внешний аккумулятор умеет восполнять собственные запасы энергии где-то за полтора часа. Некоторые китайские подделки заряжают за это время один iPhone, а тут — целых 10 000 mAh.

При этом карманная батарейка детально информирует пользователя о ходе пополнения закромов через дисплей, расположенный на поверхности. На нём отображаются не только проценты, но и время завершения. Насчёт точности ничего сказать не можем, потому что подобное выясняется только в процессе практики.

Как и соседи по подборке, UNU Ultrapak имеет два порта USB с 1 и 2.1 А, приготовленным для ваших iPhone, iPad и других гаджетов. Разработчики не удосужились написать конкретные показатели и лишь обозначили, что смартфоны восстановят 400-500% заряда, фаблеты — 300-400%, планшеты — 80-120%. Сами понимаете, все эти устройства могут радикально отличаться как ёмкостью, так и энергоэффективностью «железа», поэтому выстраивать их в одну линию глупо. Тоже оставляем данный пункт методу проб и ошибок.

Что ж, за скорость надо платить. А если конкретно, то $99 . Доставки в Россию нет, рекомендуем обратиться к посреднику.

iWalk Extreme TRIO 10000 mAh

Мы продолжаем выявлять сильные стороны в интересных предложениях на рынке внешних аккумуляторов. До этого момента ещё ни разу не были упомянуты встроенные кабели. В iWalk Extreme TRIO уютно вшиты коннекторы Lightning и MicroUSB, позволяющие забыть про дополнительные «шнурки». На самом деле, необычная пирамидная выделка так хитро сделана, что под своим корпусом спрятала отсеки для кабелей. Они не выпирают, не мешаются, а в нужный момент всегда приходятся кстати.

Девайс тонкий и лёгкий (400 г). Все необходимые разъёмы инженеры тоже убрали с глаз: на торце вы найдёте один USB, раздающий скоростные 2.4 А, кнопку «Вкл/Выкл» и стандартный входной Micro USB, чтобы пополнить запасы энергии внешнего аккумулятора. Миниатюрное табло удачно вписалось в местную концепцию и дотошно высвечивает проценты заряда, вольтаж и число ампер, которые отдаёт iWalk Extreme.

И чёрная, и белая модели одинаково стоят $79 . Не так дёшево, как хотелось бы, однако за эту сумму вы получите не только 10 000 mAh: два провода, выделяющийся облик, табло, креативный подход к упаковке — вполне оправданно. Думаем, никого не удивим, если скажем, что доставка в РФ напрямую через Amazon не осуществляется.

Limefuel Blast L240X PRO 24000 mAh

Написали про утончённость и хватит. Limefuel Blast L240X PRO — самый вместительный внешний аккумулятор из нашей подборки. Не предоставляя потенциальным покупателям никакой информации относительно времени зарядки мобильных устройств и ноутбуков, девайс берёт своё цифрами. 24000 mAh внушают доверие! Особенно, если учесть, что стоимость данной переносной батарейки меньше, чем у модника iWalk Extreme — $69.99 против $79. Там вы платили за дизайнерские решения, а здесь за mAh, которые уместились в непримечательной обертке с зелёным свечением.

Кроме того, в этой коробочке жизненной энергии нашли своё место 4 выходных порта USB, чтобы делиться с друзьями. Кстати, шустрая зарядка на 2.4 А здесь тоже присутствует. Остальное стандартно: Micro USB, «лампочка» и зелёный индикатор ёмкости.

Native Union JUMP 800 mAh

В конце мы решили слегка дать вам отдохнуть от большущих mAh и поиздеваться необычным внешним аккумулятором, который славится не своей ёмкостью, а самой что ни на есть компактностью. Native Union JUMP — это не просто коробочка для наушников iPhone! В ней есть место 800 mAh, чтобы продержать смартфон на плаву хоть какое-то время, и интересный ход со встроенным кабелем Lightning.

Хотели бы вы иметь смартфон с аккумулятором, от которого можно «прикурить» автомобиль? И при этом, чтобы он заряжался на считанные секунды? Фантастика - скажете вы. Тем не менее, учёные из Университета Иллинойса опубликовали свою работу, которая дарит нам надежду увидеть такие супербатареи в будущем.

Это переворачивает представление о батареях. Она может выдать гораздо больше мощности, чем кто-либо может представить. В последние десятилетия электроника стала компактнее. «Думающие» части компьютеров так же стали меньше. А батареи - значительно отстают. Наша микротехнология может всё это изменить. Теперь источник питания такой же высокопроизводительный, как и всё остальное.

Батареи, созданные командой под руководством Уильяма Кинга(William P. King), позволяют создавать бескомпромиссные аккумуляторы, выдающие высокую мощность и при этом обладающие высокой ёмкостью. Причем, с помощью несложной подстройки производственного процесса, возможно варьировать соотношение этих параметров.

Как известно, эффективность батареи напрямую зависит от площади поверхности её электродов. Команде удалось значительно её увеличить с помощью следующего технологического процесса. Сначала на стеклянную подложку наносится слой полистирола. Затем в эту структуру «вводится» электролитический никель, служащий основой будущих катодов, а шарики полистирола вытравливаются. На получившуюся губчатую поверхность гальваническим способом наносятся никель-олово - на анод и диоксид марганца - на катод. Вся суть процесса наглядно представлена на следующей иллюстрации:

В конечном итоге получается структура с огромной площадью поверхности, освобождая больше свободного пространства для протекания химических реакций.

Учёным удалось создать батарейку формата «microbattery». На графике ниже представлено её сравнение с обычной батарейкой Sony CR1620:

С такими батареями возможна, например, передача радиосигнала на расстояние в 30 раз большее, чем с обычными источниками питания или сокращение размера аккумулятора в 30 раз. Кроме того, батареи способны заряжаться в 1000 раз быстрее современных. Впечатляет, не правда ли?

В настоящий момент учёные работают над интеграцией своих батарей с другими электронными компонентами, а так же разрабатывают процесс производства, который позволит запустить их в серию по приемлемой цене.

IKEA и тут опережает всех, Panasonic Eneloop оказываются совсем не такими дорогими, если их покупать через интернет, а Fujitsu, производящиеся на том же заводе по той же технологии, ещё дешевле.

Для большинства аккумуляторов производители указывают 1000 циклов заряд-разряд, некоторые производители вообще не указывают число циклов (Camelion, Turnigy, GP, Varta). Некоторые аккумуляторы имеют только 500 гарантированных циклов (IKEA LADDA 2000 LSD, Energizer PreCharged 2400, Panasonic Eneloop Pro 2450 LSD, Fujitsu 2550 LSD, IKEA LADDA 750 LSD, Energizer PreCharged 800, Panasonic 750 LSD, Fujitsu 900 LSD, Panasonic Eneloop Pro 900 LSD).
Для AA Panasonic Eneloop 1900 LSD, AAA Panasonic Eneloop 750 LSD, AA Fujitsu 1900 LSD, AAA Fujitsu 800 LSD производители гарантирует 2100 циклов.
Максимальное количество циклов - 3000 гарантируется для аккумуляторов низкой ёмкости AA Panasonic Eneloop Lite 950 LSD и AAA Panasonic Eneloop Lite 550 LSD.

Выводы:

1. Максимальная достижимая ёмкость для NiMh аккумуляторов AA - 2550 mAh, для AAA - 1060 mAh. Все аккумуляторы, на которых написано 2600, 2700, 2800 mAh и более в реальности имеют меньшую ёмкость.
2. Все аккумуляторы AA известных производителей от 950 mAh до 2450 mAh имеют реальную ёмкость не менее 97% от указанной, все аккумуляторы AAА известных производителей от 550 mAh до 1100 mAh имеют реальную ёмкость не менее 94% от указанной.
3. NiMh аккумуляторы в отличие от батареек почти не снижают количество отдаваемой энергии при больших токах разряда.
4. LSD аккумуляторы почти не отличаются от обычных. И те и другие теряют за месяц 4-20% заряда.
5. Новые LSD аккумуляторы обычно оказываются заряжены на 70%.

Всю информацию о протестированных аккумуляторах можно посмотреть в файле excel: http://nadezhin.ru/lj/ljfiles/accu_ammo1.xls. Там есть данные по тестированию всех экземпляров аккумуляторов, ёмкость в ватт-часах, вес и начальное напряжение, штрихкоды, оптовые и розничные цены в рублях, цены в долларах и евро, страны происхождения, результаты всех тестирований, включая ёмкость после недели и месяца хранения.

Фотографии упаковок всех аккумуляторов можно скачать одним архивом: http://nadezhin.ru/lj/ljfiles/accu.rar

Аккумуляторы для тестирования предоставлены производителями и магазинами:

Ansmann, Duracell, Energizer, Varta, Robiton, GP, Panasonic - оптовой компанией Источник Бэттэрис http://www.istochnik.ru
Camelion, Duracell, Energizer - оптовой компанией Энергосистемы и Технологии http://e-s-t.ru
Ikea - компанией Ikea http://www.ikea.ru
Navigator, Panasonic, Varta - компанией Battery Team http://batteryteam.ru
Космос - группой компаний «Космоc» http://kosmos.ru
Fujitsu - российским представительством компании Fujitsu http://fujitsu-battery.ru
Maha Powerex, IMEDION, Fujitsu, Panasonic Eneloop - интернет-магазином http://ru.nkon.nl
Turnigy - интернет-магазином HobbyKing http://www.hobbyking.com

Я потратил четыре месяца на тестирование и три дня на написание этой статьи. Надеюсь, вам это пригодится.

© 2015, Алексей Надёжин

В своём блоге я пишу о технике каждый день. Я провожу тестирования, делаю обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё делаю репортажи из интересных мест, публикую заметки о музыке, кино и интересных событиях. Запомните короткие адреса моего блога: Блог1.рф и Blog1rf.ru.

А ещё я занимаюсь тестированием светодиодных ламп, все результаты моих тестов смотрите на LampTest.ru

А сегодня расскажем о воображаемых — с гигантской удельной ёмкостью и мгновенной зарядкой. Новости о подобных разработках появляются с завидной регулярностью, но будущее пока не наступило, и мы всё ещё пользуемся появившимися в начале позапрошлого десятилетия литий-ионными аккумуляторами, либо их чуть более совершенными литий-полимерными аналогами. Так в чём же дело, в технологических трудностях, неправильной интерпретации слов учёных или чём-то другом? Попробуем разобраться.

В погоне за скоростью зарядки

Один из параметров аккумуляторов, который учёные и крупные компании постоянно стараются улучшить — скорость зарядки. Однако бесконечно увеличивать её не получится даже не в силу химических законов протекающих в аккумуляторах реакций (тем более, что разработчики алюминий-ионных батарей уже заявили, что такой тип аккумуляторов может быть полностью заряжен всего за секунду), а из-за физических ограничений. Пусть у нас есть смартфон с батареей ёмкостью 3000 мАч и поддержкой быстрой зарядки. Полностью зарядить такой гаджет можно в течение часа силой тока в среднем 3 А (в среднем потому, что напряжение при заряде изменяется). Однако если мы хотим получить полный заряд всего за одну минуту, потребуется сила тока уже в 180 А без учёта различных потерь. Для заряда устройства таким током потребуется провод диаметром около 9 мм — в два раза толще самого смартфона. Да и силу тока 180 А при напряжении около 5 В обычное зарядное устройство выдать не сможет: владельцам смартфонов понадобится импульсный преобразователь тока вроде того, что изображён на фотографии ниже.

Альтернатива увеличению силы тока — увеличение напряжения. Но оно, как правило, фиксированное, и для литий-ионный батарей составляет 3,7 В. Конечно, его можно превышать — зарядка по технологии Quick Charge 3.0 идёт с напряжением до 20 В, но попытка зарядить батарею напряжением около 220 В ни к чему хорошему не приведёт, и решить эту проблему в ближайшее время не представляется возможным. Современные элементы питания просто не могут использовать такое напряжение.

Вечные аккумуляторы

Разумеется, речь сейчас пойдёт не о «вечном двигателе», а об аккумуляторах с долгим сроком службы. Современные литий-ионные батареи для смартфонов способны выдержать максимум пару лет активного использования устройств, после чего их ёмкость неуклонно падает. Владельцам смартфонов со съёмными аккумуляторами повезло немного больше, чем другим, но и в этом случае стоит убедиться, что аккумулятор был произведён недавно: литий-ионные батарей деградируют даже тогда, когда не используются.

Своё решение этой проблемы предложили учёные Стэнфордского университета: покрыть электроды существующих типов литий-ионных аккумуляторов полимерным материалом с добавлением наночастиц графита. По задумке учёных, это позволит защитить электроды, которые неизбежно покрываются микротрещинами в процессе эксплуатации, а те же микротрещины в полимерном материале будут затягиваться самостоятельно. Принцип действия такого материала похож на технологию, применённую в смартфоне LG G Flex с самовосстанавливающейся задней крышкой.

Переход в третье измерение

В 2013 году появилось сообщение о разработке исследователями университета штата Иллинойс нового типа литий-ионных аккумуляторов. Учёные заявили, что удельная мощность таких элементов питания составит до 1000 мВт/(см*мм), в то время как удельная мощность обычных литий-ионных батарей колеблется между 10-100 мВт/(см*мм). Были использованы именно такие единицы измерения, поскольку речь идёт о достаточно небольших структурах толщиной в десятки нанометров.

Вместо плоских анода и катода, применяемых в традиционных Li-Ion батарей, учёные предложили использовать объёмные структуры: кристаллическую решётку из сульфида никеля на пористом никеле в качестве анода и литий-диоксид марганца на пористом никеле в качестве катода.

Несмотря на все сомнения, вызванные отсутствием в первых пресс-релизах точных параметров новых аккумуляторов, а также не представленные до сих пор прототипы, новый тип батарей всё же реален. Подтверждением тому служат несколько научных статей на эту тему, опубликованных за последние два года. Тем не менее, если такие батареи и станут доступны для конечных потребителей, произойдёт это очень нескоро.

Зарядка через экран

Учёные и инженеры пытаются продлить жизнь наших гаджетов не только поиском новых типов аккумуляторов или увеличением их энергоэффективности, но и довольно необычными способами. Исследователи университета штата Мичиган предложили встроить прозрачные солнечные панели прямо в экран. Поскольку принцип работы таких панелей основан на поглощении ими солнечного излучения, чтобы сделать их прозрачными, учёным пришлось пойти на хитрость: материал панелей нового типа поглощает только невидимое излучение (инфракрасное и ультрафиолетовое), после чего фотоны, отражаясь от широких граней стекла, поглощаются узкими полосками солнечных панелей традиционного типа, находящихся по его краям.

Главным препятствием для внедрения такой технологии является низкий КПД таких панелей — всего 1% против 25% традиционных солнечных панелей. Сейчас учёные ищут способы увеличить КПД хотя бы до 5%, но быстрого решения этой проблемы вряд ли стоит ожидать. К слову, похожую технологию недавно запатентовала компания Apple, но пока неизвестно, где именно в своих устройствах производитель расположит солнечные панели.

До этого мы под словами «батарея» и «аккумулятор» мы подразумевали перезаряжаемый элемент питания, но некоторые исследователи считают, что в гаджетах вполне можно использовать одноразовые источники напряжения. В качестве батареек, которые могли бы работать без подзарядки или другого обслуживания несколько лет (а то и несколько десятков лет) учёные университета штата Миссури предложили использовать РИТЭГ — радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Принцип действия РИТЭГ основан на преобразовании выделяющегося в процессе радиораспада тепла в электричество. Многим такие установки известны по использованию в космосе и труднодоступных местах на Земле, но в США миниатюрные радиоизотопные батарейки также применялись в кардиостимуляторах.

Работа над улучшенным типом таких батарей ведётся с 2009 года и даже были показаны прототипы таких элементов питания. Но увидеть радиоизотопные батарейки в смартфонах в ближайшей перспективе мы не сможем: они дороги в производстве, и, к тому же, многие страны имеют строгие ограничения на производство и оборот радиоактивных материалов.

В качестве одноразовых батареек также можно использовать и водородные элементы, но их в смартфонах использовать не получится. Водородные батареи расходуются довольно быстро: хотя ваш гаджет и будет работать от одного картриджа дольше, чем от одного заряда обычной батареи, их придётся периодически менять. Впрочем, это не мешает использовать водородные батареи в электромобилях и даже внешних аккумуляторах: пока это не массовые устройства, но уже и не прототипы. Да и компания Apple, по слухам, уже разрабатывает систему дозаправки картриджей водородом без их замены для использования в будущих iPhone.

Идея о том, что на основе графена можно создать аккумулятор с высокой удельной ёмкостью, была выдвинута ещё в 2012 году. И вот, в начале этого года в Испании было объявлено о начале строительства компанией Graphenano завода по производству графен-полимерых аккумуляторов для электромобилей. Новый тип батарей почти в четыре раза дешевле в производстве, чем традиционные литий-полимерные аккумуляторы, имеет удельную ёмкость 600 Втч/кг, а зарядить такую батарею на 50 кВтч можно будет всего за 8 минут. Правда, как мы говорили в самом начале, для этого потребуется мощность около 1 МВт, поэтому подобный показатель достижим лишь в теории. Когда именно завод начнёт выпускать первые графен-полимерные батареи не сообщается, но вполне возможно, что среди покупателей его продукции будет Volkswagen. Концерн уже заявил о планах выпуска электромобилей с пробегом до 700 километров от одного заряда аккумуляторов к 2018 году.

Что касается мобильных устройств, то пока применению в них графен-полимерных аккумуляторов мешают большие габариты таких батарей. Будем надеяться, что исследования в этой области продолжатся, ведь графен-полимерные аккумуляторы — один из наиболее перспективных типов аккумуляторов, которые могут появиться уже в ближайшие годы.

Так всё же, почему, несмотря на весь оптимизм учёных и регулярно появляющиеся новости о прорывах в области сохранения электроэнергии, мы сейчас наблюдаем застой? В первую очередь, дело в наших завышенных ожиданиях, которые только подогреваются журналистами. Мы хотим верить, что вот-вот и произойдёт революция в мире аккумуляторов, и мы получим батарейку с зарядкой менее, чем за минуту, и практически неограниченным сроком службы, от которой современный смартфон с восьмиядерным процессором будет работать минимум неделю. Но таких прорывов, увы, не бывает. Вводу в массовое производство любой новой технологии предшествуют долгие годы научных исследований, испытаний образцов, разработка новых материалов и технологических процессов и другая работа, занимающая достаточно много времени. В конце концов, тем же литий-ионным аккумуляторам понадобилось около пяти лет, чтобы из инженерных образцов превратиться в готовые устройства, которые можно использовать в телефонах.

Поэтому, нам остаётся только запасаться терпением и не воспринимать новости о новых элементах питания близко к сердцу. По крайней мере, пока не появятся новости об их запуске в массовое производство, когда не останется никаких сомнений о жизнеспособности новой технологии.