- Енергетична щільність батарей
- Заміна рідкого електроліту твердим
- Збільшення площі хімічної реакції
- Заміна другого електрода «кисневим»
- Нові поєднання хімічних речовин
- Менше і тонше
- висновки
Чи не доживають до кінця робочого дня смартфони і розряджаються під нуль після трьох-чотирьох годин ігор планшети, по правді кажучи, набридли. Потужність процесора і якість дисплея зростає випереджаючими темпами, тоді як акумуляторні батареї кардинально не змінюються ось уже десять років. Проте, деякі зрушення в розвитку джерел автономного живлення для мобільних гаджетів все ж спостерігаються ..
Можна виділити три ключові проблеми, властиві сучасним батареям для мобільних гаджетів. Перша - це дисбаланс між ємністю і габаритами літій-іонних акумуляторів. Простіше кажучи, щоб смартфон працював без підзарядки не один, а два дні, його доводиться оснащувати значно більшої і важкою батареєю.
Друга проблема - досить швидкий знос літій-іонних акумуляторів. У теорії вони приходять в непридатність через тисячу циклів заряду-розряду. На практиці ж через неправильні умови експлуатації цей показник зазвичай удвічі менше. Правда, в разі смартфонів і планшетів швидкий знос не настільки критичний, як для ноутбуків. Женучись за модою, користувачі купують нові мобільні гаджети раніше, ніж зношуються батареї старих.
І нарешті, третя проблема - тривалий час зарядки батарей. Тут виходить палиця з двома кінцями: зарядка акумулятора потужним струмом відбувається швидше, але при цьому він сильніше зношується. Проте, вчені мають вирішити всі три вищезгадані проблеми, а інженерам - в найкоротші терміни поставити на конвеєр джерела автономного живлення нового типу.
Енергетична щільність батарей
Акумулятори минулого покоління (нікель-кадмієві) володіли енергетичної щільністю 40 Вт * ч / кг. Це означає, що потужність типовою 50-грамової батареї становила всього-то 2 Вт * ч. З переходом на літій-іонну технологію енергетична щільність акумуляторів зросла більш ніж в два рази - до 100 Вт * год / кг.
Принцип роботи акумуляторних батарей, незалежно від застосовуваної в них технології, досить схожий: при зарядці електрична енергія перетворюється в хімічну, а під час розрядки - навпаки. Енергетична щільність акумулятора залежить від матеріалу електродів і знаходиться між ними електроліту.
У більшості Li-ion-батарей електроди виконані на основі літієвого з'єднання або графіту з іонами літію. Електроліт ж являє собою сухий рідина (в'язку масу) на основі літієвих солей. Але навіть тут наука ще не сказала свого останнього слова.
Заміна рідкого електроліту твердим
Новітні розробки в області літій-іонних акумуляторів належать японської компанії Toyota. Йдеться про Li-ion-батареях на основі твердого речовини: електроди зроблені з графіту і оксидів літію і кобальту, а твердий електроліт - з сульфідів. Подібні акумулятори мають рекордну енергетичної щільністю - до 245 Вт * год / кг.
Батарея Toyota з твердим електролітом
На відміну від Li-ion-батарей з рідким електролітом, батареї Toyota не страждають від перегріву, зате бояться контакту з водою, в тому числі вологим повітрям. Над вирішенням цієї проблеми інженерам Toyota ще належить поламати голову. Проте, старт виробництва акумуляторів високої щільності для гібридних автомобілів Toyota запланований на 2015 рік. Коли ж саме дана технологія перекочує на мобільні гаджети, поки можна лише гадати.
Збільшення площі хімічної реакції
Прискорити процес зарядки батарей, а заодно і трохи підвищити їх енергетичну щільність, можна шляхом нарощування площі стикання електродів з електролітом. Вчені з Політехнічного інституту Ренсселіра пропонують покривати електроди мікроскопічними частинками кремнію, так званими «наночашечкамі». Конусоподібні «наночашечкі» здатні стискатися і розтягуватися, щоб витримувати механічні навантаження під час поглинання і вивільнення іонів літію.
Покритий наночастинками кремнію електрод батареї Політехнічного інституту Ренсселіра
Альтернативне рішення для прискорення зарядки батарей - біологічне - пропонують дослідники з Мерілендського університету. Вони пропонують наносити на електроди трубчасті віруси тютюнової мозаїки (частого гостя в лабораторіях по дослідженню нанотехнологій) і для фіксації покривати їх найтоншим шаром металу. Тобто віруси участі в хімічній реакції не беруть, а лише служать для створення мікроскопічного рельєфу.
«Вірусна» акумуляторна батарея Мерілендського університету
Переломним моментом в технології створення акумуляторів може стати відкриття вчених з Каліфорнійського університету в Ріверсайді. Вони знайшли природний приклад дешевих наночастинок - зуби панцирних молюсків, порослі товстим шаром кристалів магнетиту (магнітного залізняку).
Кристал магнетиту - самого твердого біоматеріалу на планеті
Заміна другого електрода «кисневим»
Компанія IBM у співпраці з Сент-Ендрюського університету Шотландії спроектувала ультрасучасний літій-кисневий акумулятор. Один з електродів, як і електроліт, у нього там не є звичайні, а ось другий являє собою порожнисту вуглецеву мембрану. Вона-то і наповнюється повітрям з навколишнього середовища, після чого кисень вступає в хімічну реакцію з літієм. Очікується, що енергетична щільність літій-кисневих батарей перевищить в десять разів показники традиційних Li-ion-рішень. Шкода тільки, що задумка IBM ще дуже далека до комерційної реалізації.
Літій-киснева батарея IBM
Нові поєднання хімічних речовин
Літій-залізо-фосфатні акумулятори (LiFePO4) зовсім не є новинкою і використовувати їх для деяких завдань вигідніше, ніж літій-іонні. Маючи порівняно невисоку потужність, вони заряджаються дуже і дуже швидко, що робить їх відповідним рішенням, наприклад для авіамоделювання. Вчені з Массачусетського технологічного інституту, який подарував світові чимало відкриттів, створили літій-залізо-фосфатну батарею, заряджає всього за одну хвилину. Вже повним ходом йдуть розмови про те, щоб почати застосовувати LiFePO4-батареї ще і в мобільних гаджетах.
Літій-залізо-фосфатна батарея
Менше і тонше
Збільшення енергетичної щільності акумуляторів, а також прискорення з зарядки, дозволить створювати крихітні і, що не менш важливо, витончені батареї, наприклад для носяться електронних гаджетів: розумних наручних годинників, окулярів доповненої реальності, а потім і аналогічних контактних лінз.
Гнучка батарея з целюлози SoftBattery
Найтонша реально існуюча в даний момент батарея - справа рук інженерів з японського науково-дослідного центру AMIC. Її товщина складає всього півміліметра. Винахідливі японці планують розміщувати настільки витончені акумулятори на тильній стороні сонячних батарей і дисплеїв електронних книг.
Полумілліметрового батарея AMIC
висновки
По всій видимості, чекати дво- або навіть триразового приросту ємності акумуляторів для мобільних гаджетів залишилося зовсім не довго - років п'ять. Тоді як такий бажаний десятикратний приріст стане реальністю не раніше ніж в 2020-х.
Правда, це не означає, що мобільні гаджети будуть працювати довше. Виробники електроніки навряд чи не піддадуться спокусі зробити їх ще тонше. Тобто енергетична щільність батарей виросте, але через істотне зменшення розмірів час автономної роботи залишиться колишнім. Як то кажуть, мода вимагає жертв.