Самое слабое место в современных смартфонах, планшетах и ноутбуках – аккумуляторы. За последние годы производительность и миниатюрность электронных устройств выросла в разы, а вот время их работы, к сожалению, нет. Появится ли в ближайшем будущем возможность не думать о зарядке гаджетов каждый день, или решить эту проблему пока не удастся?

На первый взгляд может показаться, что сейчас рынок аккумуляторов сделал некоторый шаг вперед: появились доступные электромобили и даже аккумуляторы для питания целого дома, особняком среди которых стоит продукция американской инновационной компании Tesla. Но если получше приглядеться к тем же товарам Tesla, то станет виден неутешительный факт: никаких новейших технологий в них, к сожалению, нет.

Автомобильные и домашние батареи Tesla по своей сути ничем не отличаются от тех аккумуляторов, что стоят в ноутбуках и смартфонах. Разница лишь в размере. Аккумулятор ноутбука внутри пластикового корпуса составлен из шести литий-ионных элементов (обычно они имеют форму и размер обычной батарейки), а аккумулятор в автомобиле Tesla – из нескольких тысяч.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Технология литий-ионных аккумуляторов известна еще с 90-х годов, и с тех пор она претерпела лишь одну существенную инновацию. В качестве электролита научились использовать полимерный материал. Это позволило создавать аккумуляторы гибкими и более тонкими. Такой тип аккумуляторов получил название литий-полимерных. Они широко используются в изготовлении микроэлектроники.

В остальном аккумуляторная отрасль едва ли шагнула вперед по сравнению с временами десятилетней давности. В некотором смысле стало даже хуже. Если раньше стандартный мобильник работал без подзарядки как минимум несколько дней, то сегодня редкий смартфон выдерживает больше суток. Удивительно, но по сравнению с "кирпичами" начала 2000-х годов емкость аккумуляторов современных мобильных телефонов почти не выросла.

К примеру, многие помнят легендарный телефон Nokia 1100. Емкость литий-ионного аккумулятора, установленного в этом телефоне, составляла 850 мАч. Этого хватало на 400 часов работы в режиме ожидания.

Емкость батареи, установленной в iPhone 6, который вышел лишь в прошлом году, всего в два раза больше – 1810 мАч. Это все тот же самый литий-ионный аккумулятор, что и раньше, правда теперь его хватает всего на 250 часов работы в режиме ожидания.

В развитие отрасли аккумуляторов крупнейшие мировые корпорации готовы вкладывать и вкладывают миллиарды, лишь бы был результат. И хотя его пока так и нет, некоторые перспективы аккумуляторов будущего все же видны.

Развитие существующих технологий

Может показаться, что из литий-ионной технологии аккумуляторов уже выжали максимум возможного, однако это не так. Несмотря на название, сегодняшние аккумуляторы содержат литий лишь в растворе электролита. Существенно продлить срок работы батареи и увеличить ее емкость может технология изготовления литиевого анода.

Сейчас в литий-ионных аккумуляторах анод обычно изготавливается из графита или кремния. Успеха в изготовлении полноценного литиевого анода добились в прошлом году сотрудники Стэнфордского университета. И хотя до массового использования технологии пока еще очень далеко, в перспективе такие аккумуляторы смогут работать без подзарядки в четыре раза дольше сегодняшних, будучи более миниатюрными.

Дальнейшее развитие литий-ионных батарей также может лежать в области выбора веществ для изготовления катода. Это может быть и жидкий катод с содержанием серы, повышающий энергоемкость в два раза, и обычный кислород из воздуха, реагирующий с углеродом и повышающий экологичность аккумулятора, и нанофосфаты, делающие возможной полную зарядку батареи всего за 15 минут.

Экспериментировать можно и с местом самого лития в аккумуляторах. К примеру, в 2015 году в Стэнфорде удалось создать успешную батарею, заменив литий на алюминий. Такой аккумулятор по характеристикам практически не уступает литий-ионному, а по некоторым даже заметно превосходит. Например, алюминиевый аккумулятор способен выдержать более 7500 циклов перезарядки, в то время как литий-ионный теряет пятую часть емкости уже после 600. Если инженерам удастся немного повысить плотность энергии и напряжение алюминиевых аккумуляторов, они могут стать полноценной заменой литий-ионным.

Увеличение площади контакта электрода и электролита

Еще один способ выжать максимум из существующих аккумуляторов – увеличить в них площадь соприкосновения электродов с электролитом. С помощью этого можно повысить энергетическую плотность аккумулятора, а также заметно ускорить процесс зарядки.

Увеличить площадь соприкосновения можно с помощью создания на поверхности электрода какого-либо микроскопического рельефа. Для этого можно, к примеру, покрывать электроды микроскопическими конусовидными частицами кремния. Выдвигаются предложения использовать биологический материал. К примеру, наносить на электроды трубчатые вирусы табачной мозаики и покрывать их тонким слоем металла. Еще один подходящий материал – окаменелые зубы панцерных моллюсков, покрытые минералом магнетитом, которые можно в изобилии найти в недрах земли.

Беспроводная зарядка

В свое время Никола Тесла мечтал передавать электричество без проводов, благо физические законы в принципе позволяют это делать. Беспроводной способ зарядки телефона с помощью магнитного поля начал внедряться в смартфоны только недавно. Сегодня эта функция доступна у нескольких дорогостоящих моделей. Эксперты предрекают, что в ближайший год рынок беспроводных зарядок ожидает резкий скачок – все факторы для этого уже созрели.

Особенно удобной может быть беспроводная зарядка в электромобилях, и такую технологию уже предлагает компания Qualcom. Ее зарядная панель на 3,3 кВ может заряжать автомобиль Honda Accord Hybrid во время стоянки, причем производитель говорит, что готов увеличить мощность катушки в 2, а то и в 6 раз. Устройство для зарядки автомобиля устанавливается в пол гаража. Оно также снабжено датчиками движения и моментально выключается при появлении вблизи человека или животного, хотя пагубное действие сильного магнитного поля на живой организм – явление недоказанное и весьма спорное.

Суперконденсаторы-ионисторы

Если говорить о более отдаленной перспективе в десять и несколько десятков лет, то здесь мнения многих разработчиков сходятся. Будущее источников питания вовсе не за аккумуляторами, а за устройствами, которые носят название суперконденсаторов, или ионисторов.

Суперконденсатор одновременно похож и на обычный электронный конденсатор, и на аккумулятор. Как и в аккумуляторе, в суперконденсаторе есть электроды и электролит. Однако принцип его работы аналогичен именно конденсатору: заряд в ионисторе накапливается в так называемом двойном электрическом слое, который образуется на границе раздела электрода и электролита. Двойной электрический слой образуется из ионов, причем в каждом отдельном слое – ионы определенного заряда.

При использовании определенных веществ удается достичь большой площади контакта электрода с электролитом, благодаря чему суперконденсатор получает возможность накапливать большой заряд. Сегодня в качестве наиболее перспективного материала для использования в суперконденсаторах рассматривается графен.

Несмотря на то что современные суперконденсаторы по своей удельной энергии все еще уступают литий-ионным аккумуляторам, а также имеют ряд других технологических неудобств, они уже находят достаточно широкое применение. Дело в том, что суперконденсаторы способны очень быстро заряжаться и разряжаться (в течение минуты и даже меньше), а также обладают очень долгим сроком службы. Они способны выдержать до миллиона зарядок и практически не потерять своих свойств. Кроме того, суперконденсаторы существенно легче большинства аккумуляторов.

Сегодня суперконденсаторы используются в основном в качестве резервных источников питания в электротехнике, а также в самом различном транспорте – от электромобилей и городских трамваев, позволяя им преодолевать участки без проводов, до самого крупного пассажирского самолета Airbus A330. С помощью суперконденсаторов удается экономить до 30% энергии в современных поездах и подъемных кранах, запасая лишнюю энергию при торможении и опускании груза.

На сегодняшний день ведется работа над созданием промежуточного между аккумуляторами и суперконденсаторами устройства, которое смогло бы воплотить в себе лучшие качества одного и другого. Если эту задачу удастся решить, то с литий-ионной технологией можно будет наконец распрощаться.

Телевизор Samsung UE49KS8000U

Наушники Everest 700 от JBL