Шумиха с горением и взрывами Samsung Galaxy Note 7 окончательно подтвердила: смартфонам нужны новые технологии батарей. Индустрия возлагает большие надежды на разрабатываемые и готовящиеся к пуску производства аккумуляторы твердотельного типа. Следующее поколение функционирует по тому же принципу, что и литий-ионные батареи, только вместо жидкого проводящего ток состава применяет твердый. Но настолько ли радужна и близка перспектива?
Предпосылки и причины перемен
Причин, по которым Li-ion батареям подыскивают замену, немало.
1. Жидкостный или гелевый электролит при перегреве реагирует и легко воспламеним. Из-за повреждения структуры устройства, к которому приводят слишком быстрая зарядка и другие факторы, происходят самовозгорания техники. Это опасно, так как литий-ионные батарейки горят интенсивно и сложно поддаются тушению. Нужны более стабильные аккумуляторы.
2. Традиционные батарейки вмещают малое количество энергии, не соответствующее потребностям современной техники. Чтобы сделать смартфон автономнее, приходится ставить более крупную батарею, что конфликтует с желанием уменьшать габариты девайсов.
3. Li-ion достаточно быстро теряет полезную емкость. Деградацию ускоряет чувствительность к высоким температурам окружающей среды и зарядки, полная разрядка и даже лежание без дела. Он начинает хуже держать заряд и через пару лет требует замены.
4. Литий-ионные батареи требуют два-два с половиной часа для достижения полного заряда, а в худшем случае могут не справиться и за ночь. Девайсы с технологией быстрой зарядки способны на получасовой подвиг, но при неисправности грозят «гореть синим пламенем».
Читайте также: 22 новинки смартфонов 2017. Часть 1
Развитие идеи
Твердотельные аккумуляторы уже давно используются в узкоспециализированном оборудовании, но нуждаются в переработке технологии для применения в смартфонах и другой потребительской электронике.
Создатель литий-ионной батареи Джон Гуденаф, несмотря на почтенный возраст, активно участвует в поисках оптимального варианта твердотельного аккумулятора.
Сотрудничая с коллегами из Техасского университета в Остине, он конструирует батареи с применением щелочного металла (лития или натрия) для положительного электрода и электролита из стекла вместо жидкости. Обещают, что это будут самые безопасные и дешевые, со скоростной зарядкой, аккумулирующие в 5-10 раз больше энергии и работающие в экстремальных минусах устройства.
Разные команды ученых экспериментируют с материалами для электродов и проводящего состава: одни работают над магниевыми батареями, другие замораживают жидкость, третьи вводят в жидкий электролит стабилизирующие органические добавки.
Основные достоинства твердотельных аккумуляторов
У батарей твердотельного типа есть целый список плюсов перед обычными литий-ионными аккумуляторами.
1. Стабильность, не воспламеняемость: твердое вещество менее склонно к химическим реакциям, чем жидкость. Утечка электролита не произойдет, а значит такая батарея не взорвется от заводского брака или повреждения.
2. Долговечность, что также вытекает из предыдущего пункта. Аккумуляторы разряжаются и изнашиваются медленнее, через пару лет не начинают хуже держать заряд и не требуют замены, могут спокойно эксплуатироваться порядка 10 лет.
3. Меньше времени на зарядку: в 6 раз быстрее батарей с жидкостью или гелевым электролитом, а это минуты до полного заряда вместо часов.
4. Удвоенная емкость и повышенная плотность энергии: на те же габариты батарейки с твердым проводящим веществом приходится больше энергии, чем с жидким. Всё потому, что во избежание замыкания между электродами в обычных батареях используются специальные барьеры, занимающие определенное место. Твердые модели нет необходимости оснащать сепаратором подобного размера — используется элемент примерно в семь раз тоньше (до 4 микрона против до 30 микрон). Экономия уже на одном этом факторе позволяет поместить в аккумулятор двойной объем энергии в сравнении с Li-ion.
5. Относительно стандартных батарей, твердотельные легко уменьшить в размерах, плюс в перспективе их проще делать гибкими.
Недостатки твердотельных аккумуляторов
При всех вышеописанных плюсах, у твердотельных батареек есть и неприятные особенности, которые разработчики пытаются побороть.
Первоочередная проблема нового типа аккумулятора в низкой проводимости: движение ионов через твердый электролит затруднено по сравнению с жидкостью. Из-за этого твердотельные батареи не могут обеспечить высокое напряжение.
К примеру, на рынке уже есть комплектующие обсуждаемого вида — в основном, это литий-полимер. Они компактные, легчайшие, гнущиеся и против ионных, сдающихся не дотянув до тысячи перезарядок, через 40 тысяч циклов подзарядки уменьшаются в мощности лишь на 1/20. Но проблемы с низкой проводящей способностью и полезной емкостью препятствуют широкому использованию литий-полимера в технике и электронике.
Читайте также: 22 новинки смартфонов 2017. Часть 2
Еще один недостаток — высокая себестоимость производства. Как и любая новинка, некоторые перспективные виды твердотельных аккумуляторов поначалу обходятся дороже традиционных.
Перспективы использования твердотельных аккумуляторов в мобильных телефонах
Твердотельные аккумуляторы застряли на этапе разговоров — до практики дело не доходит, так как технология сыровата. Хотя еще два года назад исследователи из MIT и Samsung заявляли, что уже побороли ту самую главную беду твердого электролита — низкую скорость продвижения ионов.
Один из глав Samsung SDI дал интервью The Korea Herald, в котором сообщил, что подразделение близко подошло к выпуску твердотельных батарей. Корейский концерн будет технологически готов к этому в следующие пару лет.
Со слов респондента, телефоны первыми получат твердотельные батареи, а к 2025 году, после тщательных проверок, аккумулятор с твердым проводящим веществом начнут применять и в электромобилях.
По сведениям фирмы, конкурирующий бренд — LG Chem — настолько же продвинулся по части технологий создания твердоэлектролитных аккумуляторов. Сами LG не отрицают возможности замены Li-ion твердотельной батареей, но и не комментируют сроки.
Эксперты считают, что до полноценных твердоэлектролитных аккумуляторов для телефонии еще минимум пять лет, но в другой технике, электронике и гаджетах их можно ожидать уже спустя год. Производители наверняка захотят опробовать новинку на менее серьезной аппаратуре.
Читайте также: Как выбрать смартфон: пошаговая инструкция
Хотя литий-ионные аккумуляторы недостаточно мощны, быстро деградируют, долго заряжаются и способны при определенных условиях вражески спалить дом, пока ничто не может заменить их в электронике масс-маркета. Достоинства твердотельной батареи, к сожалению, остаются на бумаге. Но, если верить итогам свежих исследований, аккумуляторная революция не за горами.
Видео по теме: