Мобильные устройства продолжают совершенствоваться. По производительности процессора и объёму оперативной памяти современные смартфоны уже не уступают настольным компьютерам пятилетней давности. Тем не менее, один из важнейших показателей долгое время остаётся практически неизменным. Речь идёт о времени автономной работы. Безусловно, появление литий-ионной батареи обеспечило некоторый прорыв, но мобильное устройство, способное полноценно функционировать хотя бы неделю без подзарядки — пока фантастика. Есть ли у пользователей причины для хотя бы сдержанного оптимизма? Попробуем разобраться.
Физика против инженерии
Литий — третий элемент периодической таблицы Менделеева. Самый лёгкий металл, способный принимать участие в окислительно-восстановительной реакции, на которой основаны все химические источники энергии. Природа наделила его самым низким электронным потенциалом и самой высокой токовой нагрузкой. Иными словами, есть естественные ограничения, обойти которые не по силам даже гениальному инженеру. Возможно, когда-нибудь будет найдено что-то лучше используемого сегодня оксида литий-кобальта, но одно можно утверждать смело — в состав этого вещества будет входить литий.
Также очевидно, что применение комбинации элементов не позволит улучшить все характеристики батареи одновременно. Максимум возможного — подобрать их оптимальное сочетание для решения конкретной задачи.
Благие намерения
Тем не менее, инженеры предпринимали попытки создать батарею для смартфонов, существенно превосходящую по всем параметрам литий-ионный аккумулятор. Причём некоторые из них нельзя назвать неудачными, несмотря на то, что изначально поставленная задача решена не была.
Например, компания Toyota десять лет назад приступила к созданию серно-магниевого элемента, где в качестве анода используется магний, а катод изготовлен из смеси серы и графита. Её главная особенность заключается в электроёмкости, которая теоретически может превышать 1700 Вт·ч/кг. Однако практическому использованию препятствовали некоторые особенности, радикально ухудшающие другие характеристики. Электролитом в такой батарее планировалось использовать раствор поваренной соли, но он растворял серу. Инженерам пришлось поработать над созданием нейтральной по отношению к этому веществу среды на основе ненуклеофильных частиц.
Несмотря на это обойтись без литий-ионного компонента всё равно не получилось. Его внедрение позволило довести срок службы батареи до 110 циклов. Работы в данном направлении продолжаются, и пока сложно прогнозировать, найдут ли серно-магниевые элементы применение в мобильных устройствах, но в случае успеха батареям такой энергоёмкости наверняка найдётся применение.
Неперезряжаемые литий-металлических батареи существуют относительно давно, и ими уже никого не удивишь. Но компания SolidEnergy Systems, корни которой исходят из знаменитого Массачусетского технологического института, взялась за создание аккумуляторных литий-металлических элементов. Причина та же, что в случае с серо-магниевыми элементами: энергоёмкость таких ячеек теоретически должна быть вдвое выше, чем у литий-кобальтовых.
Расплачиваться за это сначала пришлось неприемлемой для практического использования взрывоопасностью — на катоде и аноде образуются металлические наросты — дендриты, приводящие к короткому замыканию. Впрочем, при помощи серых и фосфорных добавок в электролит, эту проблему удалось решить.
Тем не менее, пока рано говорить о широком использовании литий-металлических аккумуляторов. Они до сих пор отличаются непомерно высокой ценой и очень долгой зарядкой.
Накапливать или вырабатывать?
А может быть аккумулятор — не объективно необходимый компонент мобильного устройства, а дань стереотипам? Те же кардиостимуляторы работают от батарей, основанных на распаде радиоактивного изотопа. Правда, мощность источников измеряется в микроваттах, что для телефона явно недостаточно. Тем не менее, перспективные разработки карманных электростанций уже существуют.
Например, 20 лет продолжаются работы по созданию ячейки, представляющей собой топливный элемент на основе распада метанола. Он окисляется в диоксид углерода, а освобождающийся водород соединяется с кислородом и образует экологически чистую воду. Впрочем, полностью автономной такую ячейку назвать нельзя, поскольку она нуждается в «заправке» метанолом. Смысл такого элемента, скорее, в скорости «перезарядки». Сменил картридж и аппарат снова готов к работе.
Из-за больших размеров использовать топливный элемент в самих смартфонах оказалось проблематичным. Идея воплотилась с появлением пауэр-банка Dynario, который в своё время выпускала компания Toshiba.
Но всё ограничилось экспериментальной серией. Высокая цена как самого устройства, так и картриджей с метанолом покупателю не понравились. К тому же, метанол ядовит, что также не способствовало популярности инновационного изделия.
А пока пользователи мобильных устройств прекрасно обходятся без метанола, топливные элементы на водороде успешно применяются в электромобилях Toyota и мобильных электростанциях Toshiba H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Химические реакции в ней протекают под действием энергия от солнечных батарей или из аккумуляторов, в которых запасаются излишки.
Ещё одна идея — использовать неисчерпаемую энергию солнца. Тем более, что прозрачные солнечные панели уже существуют и никто не мешает установить их поверх экрана. Но вырабатываемая на такой небольшой площади мощность настолько мала, что всерьёз говорить о практическом использовании пока просто смешно.
Секрет успеха
Как это часто бывает, практически ценные результаты были получены не полётом фантазии, а кропотливым трудом, направленным на улучшение существующих решений.
Так, литий-титанатные аккумуляторы характеризуются быстрой зарядкой до полной ёмкости и отдачей высокого тока. Из-за низких напряжения и энергоёмкости они получаются достаточно габаритными, но это не препятствует их применению в транспорте, где именно такие показатели имеют критически важное значение.
Литий-марганцевые батареи отличаются высоким отдаваемым током. Их сфера применения — электроинструмент и другие устройства, нуждающиеся именно в большой силе тока.
Наконец, литий-кобальтовые элементы — это высокая энергоёмкость в сочетании с небольшими размерами. Поэтому мобильные устройства работают именно на них.
Как нетрудно заметить, пока технология Li-Ion доминирует во всех сегментах и нет оснований считать, что в ближайшем будущем что-то изменится: от добра добра не ищут — потребуются очень веские основания для отказа от привычного и хорошо работающего. Даже если очень хочется чего-то лучшего.
Автор: Владимир Максимов, руководитель департамента развития новых направлений бизнеса компании Toshiba в России