Hi-Tech

Эпоха новых аккумуляторов

Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Лёгкий и энергоёмкий, он подходит для портативной электроники, но не справляется с большой нагрузкой.

В течение последних пятидесяти лет производители аккумуляторов и учёные со всего мира вынуждены искать баланс между мощностью аккумулятора и безопасностью его использования: при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться.

Тем не менее, большинство потребителей считают, что время работы внутреннего аккумулятора — одна из главных характеристик смартфона. Ожидается, что объём рынка внешних аккумуляторов достигнет $25 млрд к 2022 году.

Сделать так, чтобы он заряжался в течение нескольких секунд и ему хватало заряда на целый день. Десятки компаний пытаются создать новый тип аккумулятора: улучшить его энергоёмкость, срок службы.

Как работает аккумулятор

Его главные компоненты — отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделенные электролитом. В основе работы аккумулятора лежит химическая реакция.

Атомы метала теряют электроны и становятся отрицательно заряженными ионами, которые притягиваются к катоду. Когда аккумулятор подключен к цепи, происходит окислительно-восстановительная реакция.

В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи. Электроны, являясь отрицательно заряженными частицами, тоже притягиваются к катоду.

Однако его можно снова использовать после подзарядки: электрический ток перемещает ионы и электроны обратно к катоду. Когда атомы металла больше не могут отдавать электроны, аккумулятор разряжается.

Электроды из чистого метала не выдерживают постоянного перемещения атомов и электронов, поэтому аккумуляторы делаются из различных смесей.

Создание литий-ионного аккумулятора

При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор, однако при повышении напряжения он воспламенялся.

В 1980 году Джон Гуденаф, специалист по оксидам металла, вместо алюминия и лития использовал оксид лития-кобальта, который позволял «вытягивать» в два раза больше атомов лития.

Это был первый потребительский товар с заряжаемым литий-ионным аккумулятором. В 1991 году компания Sony начала использовать катод Гуденафа и углеродный анод для аккумуляторов в видеокамере CCD-TR1.

В течение 2000-2010 годов производители постоянно улучшали энергоёмкость аккумуляторов, но начиная с 2007 года даже минимальное увеличение энергоёмкости давалось всё сложнее.

Аккумулятор IPhone X по составу практически идентичен аккумулятору видеокамеры Sony. Несмотря на тысячи опубликованных исследований, миллиарды потраченных долларов и десятки стартапов технология работы аккумулятора не сильно изменилась с 1991 года.

Альтернативы литий-ионному аккумулятору

На основе кремния

Они решили использовать кремний как наиболее перспективный материал для производства аккумуляторов: атом кремния способен захватывать до четырёх ионов лития. В 2011 году бывший сотрудник Tesla Джин Бердичевский вместе с Алексом Джейкобсом и Глебом Юшиным основал компанию Sila Nanotechnologies.

При зарядке анод поглощает ионы лития и увеличивается в объёме, а при разрядке возвращается к прежнему размеру. Эксперименты с кремнием проводились до 2011 года, однако безуспешно.

Графитовый анод может служить около двух лет (1000 циклов разрядки), однако кремния хватает на пару циклов. Расширение и сжатие анода — одна из причин, почему аккумулятор смартфонов теряет ёмкость со временем.

По словам Бердичевского, материал будет доступен для производства в 2019 году и сможет повысить уровень безопасности использования аккумуляторов и увеличить энергоёмкость на 20% (а в будущем, возможно, до 40%). Компании Sila потребовалось пять лет, чтобы создать материал, позволяющий кремнию расширяться без изменения внешней структуры анода.

Даже маленькая ошибка может привести к катастрофе. Энергоёмкость современных аккумуляторов постоянно увеличивается, но вместе с ней увеличиваются и риски, потому что слои анода и катода становятся тоньше и располагаются всё ближе друг к другу. Ярким примером тому служит Galaxy Note 7.

Если бы можно было использовать чистый литий, энергоёмкость аккумулятора увеличилась бы в десятки раз. Так как литий опасен, то его количество в литий-ионном аккумуляторе не превышает 2%. Основатель и генеральный директор Ionic Materials Майк Циммерман, возможно, нашёл способ использовать чистый литий в аккумуляторах.

В последнее время заметна тенденция использования гелей и полимеров вместо жидких электролитов, однако они в основном огнеопасны. По его мнению, проблема заключается в электролите. Компания вбивала гвозди в аккумуляторы, стреляла в них из огнестрельного оружия и разрезала ножницами, но аккумуляторы не горели. Ionic Materials создала недорогой, гибкий и прочный полимер с электропроводностью при комнатной температуре.

Но будущее, возможно, не за литием. Циммерман считает, что новый полимер позволит использовать чистый литий и ускорит появление литий-серных и литий-кислородных аккумуляторов на рынке.

На основе углерода

Эти аккумуляторы должны заряжаться так же быстро, как суперконденсаторы, сохранять заряд так же долго, как литий-ионные аккумуляторы. В 2013 году инженер-разработчик в Netscape Стивен Воллер основал компанию ZapGo, занимающуюся разработкой аккумуляторов на основе углерода.

Однако они не могут накопить столько же энергии, как аккумуляторы, и теряют её очень быстро. Если аккумуляторы накапливают энергию благодаря химическим реакциям, то суперконденсаторы запасаются ею в электрическом поле.

Суперконденсаторы могут лечь в основу гибридного телефона, который заряжается за пару минут и у которого есть запасной литий-ионный аккумулятор. Некоторые учёные считают, что объединение суперконденсаторов с аккумуляторами может стать решением всех проблем.

В аккумуляторе не протекает никаких химических реакций, поэтому он может выдержать до 100 тысяч циклов разрядки (30 лет каждодневного использования), что невыгодно производителям техники. ZapGo разработала аккумулятор с твёрдым невзрывающимся электролитом и двумя электродами из тонких слоёв алюминия, покрытых наноуглеродным материалом. Однако Воллер утверждает, что ZapGo может искусственно уменьшить его срок службы.

Для этого придётся изменить способ зарядки смартфонов. Аккумуляторам, разработанным ZapGo, ещё не хватает мощности, чтобы питать смартфоны, Воллер планирует решить эту проблему к 2022 году. Современное зарядное устройство замедляет количество электрического тока, поступающего в аккумулятор, чтобы он не износился раньше времени и не загорелся.

Для аккумулятора компании ZapGo или любого другого, работающего на базе суперконденсатора, нужно зарядное устройство, которое, наоборот, накопливало бы энергию из розетки и подавало бы её в телефон в один миг.

Углеродные аккумуляторы — это, возможно, один из шагов на пути к будущему, в котором у телефонов есть гибкие экраны и 5G-интернет.

#будущее

Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть