От зарядки до зарядки: почему не прогрессируют технологии аккумуляторов
В последнее время развитие аккумуляторов портативных устройств зашло в тупик. Производители не пытаются создавать инновационные решения, вместо этого они оснащают свои девайсы аккумуляторами большей емкости, либо выпускают какие-то дополнительные аксессуары, как сделала Apple, официально запустив в продажу чехол со встроенной батареей.
Увеличение аккумулятора или дополнительные чехлы напрямую влияют на толщину устройства и его восприятие пользователем. При этом, с уменьшением размеров плат и чипов внутри корпуса остается много места, которое как раз и занимает аккумулятор. Из-за этого борьба за толщину устройств упирается в развитие батарей.
Первые телефоны использовали никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы. Несмотря на свои плюсы, вроде большого ресурса и высокой токоотдачи, они обладали низкой удельной емкостью (45-65 Втч/кг).
Кроме того, этот тип батарей подвержен эффекту памяти: при зарядке не до конца разряженного аккумулятора его напряжение снижается, что ведет к потере емкости.
По этим причинам от Ni-Cd аккумуляторов отказались в пользу никель-металлгидридных (Ni-MH) батарей, которые меньше подвержены эффекту памяти и имеют бОльшую удельную емкость (60-72 Втч/кг). Минусом же можно назвать малый срок службы — примерно 200-500 циклов. Однако устройства с таким типом аккумулятора выпускались до конца ХХ века.
Но прорывом в области аккумуляторостроения стал представленный компанией Sony в 1991 литий-ионный аккумулятор (Li-Ion), которые остаются одними из самых популярных и по сей день. Благодаря его сбалансированным характеристикам эти аккумуляторы и по сей день остаются одними из самых распространенных.
На данный момент Li-Ion аккумуляторы имеют удельную емкость до 240 Втч/кг, что в разы больше, чем у предшественников, они практически не подвержены саморазряду, но срок службы составляет более 600 циклов. Эффект памяти присутствует, но он проявляется только при частых циклах неполного разряда и заряда. Конечно, не стоит забывать о том, что высокая химическая активность лития приводит к тому, что при определенных условиях он способен воспламениться.
Вместе с Li-Ion аккумуляторами, недюжей популярностью обладают и литий-полимерные (Li-Po). Отличие заключается в том, что Li-Po аккумуляторы можно делать любой формы, включая гибкие. Плюсы и минусы у обоих типов батарей схожи — не самый впечатляющий срок службы и «смерть» после глубокого разряда. Кроме этого, они менее токсичны, чем Li-Ion собратья, и более безопасны.
Повреждения могли стать причиной «взрывных» сюрпризов от Li-Po-аккумуляторов
То есть те аккумуляторы, что используются в смартфонах и планшетах по сей день, появились, грубо говоря, более 20 лет назад.
Нынешние разработки двигаются в нескольких направлениях, но пока нет ни одного решения, которое было бы полностью сбалансированным по всех характеристикам, и при этом на «голову» выше литий-полимерных и литий-ионных.
Так, серебряно-цинковые батареи, которые активно используются в военной и космической технике, абсолютно безопасны и не загрязняют окружающую среду. Также они обладают внушительной удельной емкость (в теории до 425 Втч/кг) и имеют высокую токоотдачу (до 50 амперов на 1 ампер-час ёмкости). Однако они обладают высокой стоимостью и выдерживают до 100 циклов заряда/разряда.
В Стэнфордском университете разрабатываются алюминиево-ионными (Al-Ion) аккумуляторами. Они, как и Li-Po аккумуляторы, могут принимать абсолютно любую форму, способны заряжаться за несколько минут и имеют колоссальный срок службы (более 7500 циклов). Но низкое выдаваемое напряжение в 2 вольта, против 3,6 у Li-Ion батарей, и удельная емкость в 140 Втч/кг пока не позволяют использовать эти батареи повсеместно.
Еще одной разработкой стали литий-серные (Li-S) аккумуляторы. Их энергоемкость вдвое превышает последнюю у литий-ионных. Кроме этого, они выдерживают хороший срок службы (1500 циклов заряда), при этом практически не теряя максимальной мощности. Тем не менее необходимость доработки и тестов в сложных условиях (влажность, температура) пока не дают выйти Li-S-аккумуляторам на рынок.
Конечно, основная причина продолжающейся эксплуатации литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов происходит вовсе не от того, что нет технологий. При активном желании производители могли бы попытаться ввести в оборот нечто инновационное, а не выпускать чехлы и переносные батареи с теми же литий-ионными компонентами.
С другой стороны, это бы потребовало долгих тестов и перестройки всего процесса производства аккумуляторов на работающей как часы фабрике. Поэтому крупным игрокам рынка мобильных устройств это совсем не на руку.