От ядерных до спиртовых. Какими будут батарейки после Samsung Galaxy Note 7

На этой неделе компания Samsung официально приостановила производство и продажи фаблета Galaxy Note 7, который взрывался из-за проблем с аккумулятором. Лайф выяснил, почему не прогрессируют батареи смартфонов и когда ждать очередного скачка автономности.

После каждой презентации iPhone у зарубежных журналистов появляется новое развлечение: они сравнивают, насколько очередная модель мощнее оригинальной версии, выпущенной в 2007 году. С релиза первого iPhone прошло почти 10 лет — тесты показывают, что даже в режиме одного ядра iPhone 7 Plus производительнее отца линейки в 22 раза.

Вместе с процессорами улучшаются экраны и камеры, увеличивается объём памяти (как встроенной, так и оперативной), звук становится чище, а корпус — тоньше. Проблема всего одна — автономность. Если 10 лет назад средний смартфон держал заряд двое суток, то сейчас даже сутки считаются неплохим результатом. Разумеется, это связано и с внедрением новых функций, но нам от этого знания не легче: чувствуется, что аккумуляторы еле поспевают за прогрессом.

Банальное увеличение ёмкости батареи — опасный путь. Например, в тот же Samsung Galaxy Note 7 интегрировали аккумулятор на 3500 мА*ч. В прошлом поколении было на 500 мА*ч меньше, и сейчас инженеры корейской компании даже с двух попыток не сделали так, чтобы катод и анод не соприкасались друг с другом и не провоцировали перегрев. Итог — грандиознейший скандал и фактический вылет смартфона с рынка.

Чтобы разобраться, почему аккумуляторы прогрессируют с таким скрипом и выйдут ли они когда-нибудь на новый уровень, мы подготовили ответы на пять самых популярных вопросов.

Где обещанные в новостях супераккумуляторы?

Самое важное — технология. В отличие от процессоров, где улучшение из года в год происходит благодаря уменьшению размера транзисторов и совершенствованию архитектуры, в батарее главное — электрохимическая реакция. С её помощью сохраняется и извлекается энергия из материала. Это значит, что для серьёзного прогресса в ёмкости батареи необходимо тотально менять саму технологию производства. В исследования новых материалов для батарей вкладывается не меньше усилий, чем в разработку микропроцессоров. Увы, пока не существует результатов, которые можно хоть сейчас перенести на смартфоны и ждать стабильной работы.

Кроме того, важна безопасность. Нужно понимать, что батарея — накопитель электроэнергии, а она может перейти в тепловую. Итог этого перехода можно увидеть на любом видеоролике с возгоранием Samsung Galaxy Note 7. Теперь представим аккумулятор с увеличенной в 10 раз ёмкостью. Силу возгорания такой батареи тоже нужно будет умножать на 10 — одними ожогами тут уже не отделаться. Да и новость про горящий джип ни у кого не вызовет вопросов.

Что касается новостей про инновационные батареи, то в них обычно делают выводы, основанные на теории. Никаких промышленных образцов, как правило, нет — только схемы и прогнозы.

Какими бывают аккумуляторы?

1. Старые батареи: свинцовые, цинковые и серебряно-кадмиевые. У них очень низкая плотность энергии на единицу массы (до 60 ВТ⋅ч на литр), они медленно заряжаются и много весят. Единственный плюс — изнашиваемость: 1000 и более циклов заряда — разряда до потери 20% ёмкости.

2. Никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные — аккумуляторные батареи, часто встречающиеся в форм-факторах АА (пальчиковые) и ААА (мизинчиковые). Они компактны, устойчивы к повреждениям, у них неплохая плотность энергии (до 120 ВТ⋅ч на литр). Их хватает менее чем на тысячу циклов. Правда, батареи с кадмием запрещены в Евросоюзе из-за токсичности. В России пока что продаются.

3. Литий-ионные — самые популярные батареи на данный момент. Первый коммерческий образец выпустила Sony в 1991 году. Энергоёмкость на массу у самых продвинутых образцов доходит до 250 ВТ⋅ч на литр (в среднем около 150 ВТ⋅ч на литр). Применяются абсолютно везде: в телефонах, электромобилях, бытовой технике, рабочих инструментах и так далее. Плюсы — нет ограничений по размеру, медленный саморазряд, способность выдавать всю ёмкость за несколько минут (например, для полёта квадрокоптера).

Главный минус, конечно же, воспламеняемость. Если в литий-ионную батарейку ткнуть иглой, батарея загорится. То же случится и при избыточном заряде, деформации, перегреве. Для безопасности каждая Li-ion-батарея оснащена встроенным контроллером заряда, который не даст ей излишне зарядиться и не пропустит слишком высокое напряжение. К сожалению, как понятно из ситуации с Galaxy Note 7, исключения встречаются.

Тем не менее по совокупности характеристик это лучшая технология на 2016 год.


Где ядерные и спиртовые батарейки?

Радиоизотопные электрогенераторы ("ядерные батарейки") разрабатываются уже не один год, но от коммерческого применения пока очень далеки. Дело в том, что для таких батареек нужны особые изотопы, испускающие только безвредное бета-излучение (при распаде такого атома испускается электрон и антинейтрино). Но несмотря на то, что внешнее бета-излучение безвредно, сами изотопы при попадании внутрь часто ядовиты. К примеру, спроектированная батарея с применением стронция-90 почти не выдаёт опасного для жизни гамма-излучения, но если изотоп попадёт в организм, то отложится в костях из-за схожести с щелочноземельным кальцием и вызовет онкологические заболевания. Невзирая на долгий срок службы таких аккумуляторов (десятилетия) они никогда не станут массовым продуктом, в том числе и из-за очень высокой цены изотопа.

Разрабатываются радиоизотопные элементы и на основе трития — сверхтяжёлого водорода, в атоме которого два "лишних" нейтрона, если сравнивать с обычным водородом, также называемым протием. Тритий относительно безвреден, однако дорог из-за процесса получения: в промышленных масштабах он вырабатывается только в ядерных реакторах, если верить открытым источникам. Ещё одной проблемой тритиевых элементов питания является их малая мощность, соперничать с привычными аккумуляторами они не могут и условный iPhone не запитают.

Несколько лет назад популярностью у СМИ пользовались новости о разнообразных стартапах, связанных с топливными элементами. Принцип работы прост: в результате химической реакции при участии этилового или метилового спиртов вырабатывается электричество. Процесс подзарядки также очевиден: заливаем в такую "батарейку" спирт и готово. Сейчас это направление всё ещё развивается. К примеру, британские учёные добавили в iPhone 6 водородный топливный элемент. Заряда хватило на неделю, выделялся только пар, а заправка шла через 3,5-миллиметровый разъём, которого больше нет. Эта история произошла больше года назад — скорее всего, она ничем не закончится.


Какими будут аккумуляторы будущего?

1. Улучшенные литий-полимерные батареи. Одно из возможных и самых важных улучшений — аккумуляторы, которые не будут терять ёмкость со временем. В полимерный разделитель можно добавлять хлопья графита — тогда деградация материала значительно уменьшится. По крайней мере так считают учёные из Стэнфорда.

2. Алюминий-ионные батареи — тоже идея учёных из Стэнфорда. Преимущества: во-первых, не уменьшается ёмкость, во-вторых, очень быстрая зарядка. Минусы: сложность производства и низкая плотность энергии на литр (в два раза ниже, чем у литиевых батарей).

3. Самое перспективное — графен. Сразу несколько стартапов занимаются производством таких аккумуляторов. По их заверениям, графеновые батареи лучше во всём: легче, безопаснее и объёмнее в плане ёмкости (до 1000 Вт⋅ч на литр). При этом время зарядки ограничивается только источником электричества: теоретически автомобиль с максимальным ходом в 1000 километров может зарядиться за 15 минут.

Настоящих образцов в продаже пока нет, но, по предварительным расчётам, такие батареи будут дешевле литий-ионных. Реальная перспектива появления графеновых батарей в телефонах — от 5 до 10 лет. В автомобилях может появиться чуть раньше. Например, испанский стартап обещает уже к концу этого года начать поставки, хотя верится в это с большим трудом.

Популярностью идеи о графеновых батареях пользуются производители обычных аккумуляторов. Они выпускают литий-полимерные батареи, печатая на них лейбл Graphene. Нужно иметь в виду: ничего графенового в таких аккумуляторах нет. Придётся немного подождать.

Что и как будем заряжать завтра?

Самое разумное — верить в увеличение скорости зарядки уже имеющихся аккумуляторов. За последние пять лет средняя скорость увеличилась в 2,5 раза благодаря технологии QuickCharge. Сейчас практически у всех флагманских Android-смартфонов есть функция быстрой зарядки: например, первые 50% батареи заряжаются за 30 минут, а вторая половина — за час.

Возлагать надежды на беспроводные зарядки пока не стоит: они подпитывают телефон энергией на расстоянии 4—10 сантиметров, так что плюсов в сравнении с проводами почти нет. В Apple рассуждают о полноценной беспроводной зарядке с нормальным радиусом действия (до метра), но пока всё это только разговоры.

Источник: life.ru