Вы здесь

Электрические батареи и передовые технологии в их разработке и производстве

smartphone battery

Батарея смартфона, новые технологии и возможности их реализации для обычного пользователя мобильными устройствами

Новости о кардинальном усовершенствовании современных батарей или замене их на совершенно новый тип аккумуляторов, стали фигурировать в прессе с момента появления мощных и требовательных к энергии смартфонов. Но, тем не менее, все современные смартфоны по-прежнему оснащаются или литий-ионными батареями, изобретенными ещё в начале 90-х годов прошлого века, или их слегка усовершенствованными версиями – литий-полимерными аккумуляторами.

На данный момент есть несколько вариантов улучшения современных литий-ионных батарей. Пока все они доступны лишь как концепции, единичные прототипы или научные опыты в университетах, но перспектива на их внедрение все же есть.

Подзарядка батареи через экран.
Это, пожалуй, самый необычный способ. Ученые из университета штата Мичиган предложили встраивать прозрачные солнечные батареи прямо в экран смартфона. Шанс на массовое внедрение этого способа минимален при текущем развитии этой технологии. КПД прозрачных солнечных батарей, поглощающих только невидимое солнечное излучение (ультрафиолетовое и инфракрасное) всего 1%. У традиционных солнечных батарей КПД – 25%. На данный момент, исследователи, придумавшие эти прозрачные батареи, хотят повысить их КПД хотя бы до 5%.

Трехмерные аноды и катоды.
В современных литий-ионных батареях используются плоские аноды и катоды. Если традиционные анод и катод заменить на объёмные структуры - сульфид никеля и диоксид литий-марганца, соответственно, то можно получить прирост емкости в 10-100 раз. Говоря «объёмные» или «трехмерные» аноды и катоды, ученые подразумевают структуры толщиной всего в десятки нанометров, но этого уже достаточно для такого масштабного увеличения емкости аккумулятора. Этот тип батарей хоть и реален в перспективе, но если и появится на массовом рынке, то только через несколько лет. За последние два года было опубликовано несколько научных статей на эту тему, и, к сожалению, разработка объёмных анодов и катодов находится ещё на ранней стадии.

Самовосстанавливающиеся аккумуляторы.
Литий-ионных батарей хватает примерно на два-три года полноценной работы. После этого они начинают терять ёмкость. Всё дело в том, что электроды со временем покрываются микротрещинами. Этот процесс неизбежен. Даже если аккумулятор не использовался ни разу, через 2-3 года его ёмкость также начнёт падать. Поэтому, при покупке батареи стоит обращать внимание на дату её изготовления. Ученые из Стэндфордского университета предлагают покрывать электроды литий-ионных батарей полимерным материалом с наночастицами графита. Этот материал не даст электродам разрушаться посредством микротрещин и обладает свойством самовосстановления, так что микротрещины непосредственно на полимерном слое будут затягиваться самостоятельно. Но, к сожалению, никаких научных экспериментов или статей на эту тему с 2013 года в прессу не просачивалось.

Скорость зарядки
Научно подтверждено, что литий-ионные батареи возможно зарядить мгновенно. Но это лишь в лабораторных условиях. И это, наверное, самый популярный среди пользователей вариант усовершенствования аккумуляторов. Но стоит немного прояснить ситуацию – почему так быстро зарядить батарею в домашних условиях весьма проблематично.
Например, батарею ёмкостью 3000 мАч можно зарядить за час силой тока в 3 А. Чтобы зарядить этот же аккумулятор, скажем, за 1 минуту, требуется сила тока в 180 А. При такой силе тока провод зарядного устройства должен быть минимум в 9 мм диаметром. Да и преобразователь тока в вашей зарядке должен быть размером со сварочный апарат, чтобы суметь сгенерировать 180 А при напряжении в 3.7 В (сейчас это фиксированное значение для большинства литий-йонных батарей). Как альтернатовное решение можно увеличивать напряжение, но там все ещё сложней. Современные элементы питания просто не могут использовать настолько высокие напряжения, чтобы зарядить акумулятор в считанные секунды.

Новые типы аккумуляторов
Также существуют концепции по полной смене типа батарей с литий-ионного на новые более современные. Для подзаряжающихся батарей самым переспективным выглядит проект про разработке графеновых батарей. Испанская компания Graphenano выпустила рабочий прототип батареи, а в 2018 году планирует их массовый выпуск для электромобилей. Характеристики таких батарей значительно лучше литий-ионных, а их производство даже дешевле. Но использование таких батарей в ближайшие годы для мобильных устройств не представляется возможным из-за больших габаритов.
Более «футуристический» вариант замены литий-ионных батарей – радиоизотопный термоэлектрический генератор. Это даже не подзаряжаемая батарея, а источник питания, которого должно хватить смартфону на несколько лет или даже десятилетий. Проще говоря, это атомная энергия, получаемая при полураспаде изотопов, преобразовываемая в электричество. Но такие батареи очень дороги в производстве и находятся под ограничениями во многих странах мира.
Водородные картриджи также не вариант в их текущей стадии развития. Их нельзя подзаряжать, потребуется их замена время от времени. Конечно, один такой водородный картридж прослужит дольше одного заряда литий-ионной батареи, но это пока не массовый продукт.

Итоги
Остаётся только ждать и гадать каким путем пойдет развитие аккумуляторов в ближайшие годы. Каждый из вариантов имеет шанс на развитие и возможно станет настоящей революцией. Литий-ионные батареи тоже прошли пятилетний путь от первых прототипов до реально работающих устройств, обыграв все альтернативные решения.

Раздел каталога: