Чому батареї – відстій, і нова технологія, яка може їх зарядити

Рекордний попит на зовнішні зарядні пристрої – це один із проявів бажання мати гаджети, які можуть працювати без підзарядки кілька днів, і яке ж це сильне бажання: у 2012 році опитування J.D. Power and Associates показало, що час автономної роботи більше, ніж будь-яка інша характеристика, сприяла незадоволеності покупців смартфонів. Навряд чи це змінилося сьогодні, коли середньостатистичний смартфон може переглядати веб-сторінки лише близько 8 годин, перш ніж помре … на Wi-Fi.

Спочатку здається, що провина лежить на виробниках смартфонів. Можна припустити, що батареї, які живлять флагмани від Samsung, LG, Motorola і т.д., обираються відповідними інженерами. Насправді ж все набагато складніше: літій-іонні акумулятори, що стоять майже у всіх сучасних пристроях, не зазнали кардинальних змін з моменту їх появи 23 роки тому. Цей тривалий застій змусив компанії йти на компроміси щодо розміру смартфонів, часу автономної роботи або і того, і іншого. Або такий пристрій, як телефон, може бути тонким, або він може отримати пристойний час автономної роботи.

Так як же ми дійшли до цього моменту, і куди ми рухаємося? Покращені конструкції акумуляторів лежать на горизонті, але чи з’являться вони коли-небудь на ринку? Чи мають нові технології акумуляторів реальні шанси покласти край нашій залежності від іонно-літієвих батарей, і чи допоможуть інші рішення зробити сьогоднішні батареї прийнятними? Ми спробували це з’ясувати.

• Підступне оновлення iOS змусило мене знову захопитися iPhone 14 Pro
• Що таке оперативна пам’ять? Ось все, що вам потрібно знати
• Як налаштувати новий телефон Samsung Galaxy як професіонал

Як працюють акумулятори

Перші літій-іонні акумулятори були вибухонебезпечними. У буквальному сенсі. Компанія Sony та хімічна компанія Asashi Kasei дізналися про це на власному досвіді, коли в 1991 році перша комерційна літієва батарея на металевій основі прогоріла в мобільному телефоні та спричинила опіки на обличчі чоловіка.

Літій-іонні акумулятори, які сьогодні використовуються майже у всіх пристроях, не зазнали радикальних змін з моменту їх появи 23 роки тому.

Але це не завадило літій-іонним елементам стати домінуючим джерелом живлення в портативних пристроях. Чому? По-перше, вони набагато більш енергоємні, ніж альтернативні, а по-друге, відносно не потребують обслуговування. На відміну від інших батарей, вони не потребують розрядки, не мають пам’яті, не зазнають накопичення сульфатів, що вбивають клітини, і містять менше токсичних металів, ніж більшість інших батарей. Простіше кажучи, літій-іонні батареї є одними з найбільш універсальних батарей масового виробництва.

Але вони обмежені в інших аспектах, головним чином щільністю енергії. Причина, як сказав в інтерв’ю CNET віце-президент з маркетингу Leyden Energy Ноам Кедем, полягає в тому, що “об’ємна щільність енергії падає в міру того, як [літій-іонні елементи] стають тоншими, оскільки упаковка займає більший відсоток від обсягу енергії”. Що це означає для пересічного споживача? Якщо ви хочете отримати тривалий час автономної роботи, вам доведеться піти на компроміс з розміром.

Візьмемо такий приклад: Nokia Lumia 1520 може працювати до 107 годин від одного заряду, але має діагональ 6,4 дюйма – розмір фаблета. Приблизно стільки ж працює 6,34-дюймовий Huawei Ascend Mate2 4G. Єдиним меншим телефоном, який тримається в царстві гігантів, є Xperia Z3 Compact, якому вдається витягнути 101 годину в хороший день. Але досягнення цього подвигу зажадало від дизайнерів Sony вибору дисплея з роздільною здатністю 720p, що є надзвичайною характеристикою для смартфона вартістю 630 доларів.

По-справжньому розчаровує те, що навіть ці великі батареї не прослужать дуже довго. Apple оцінює батарею iPhone у 80 відсотків ємності для 50 зарядок, що, якщо припустити, що ви заряджаєте телефон раз на ніч, становить близько півтора року.

Окрім цих обмежень, є ще питання безпеки. Сучасні літій-іонні батареї, можливо, не такі небезпечні, як металеві конструкції минулого, але тупа сила все одно може призвести до їх короткого замикання, дезінтеграції або вивільнення шкідливого газу. Збої трапляються рідко, але результати можуть бути драматичними – пробитий акумулятор два роки тому став причиною загоряння Tesla Model S, а вірусне відео ілюструє, що може статися, якщо вдарити молотком по акумулятору Samsung Galaxy S5.

Враховуючи безліч проблем, не дивно, що як споживачі, так і виробники пристроїв прагнуть мати менші, щільніші і безпечніші альтернативи. Дослідження в цьому напрямі є багатообіцяючими, але, як виявляється, фокус не обов’язково полягає в дослідженнях, а в адаптації конструкцій до масового виробництва. Зниження витрат, пов’язаних з виробництвом і досягненням ефективності, часто є найскладнішою частиною виведення нових батарей на ринок.

Батареї майбутнього з’являються, але повільно

З’являються кращі батареї, і деякі з них засновані на ідеях минулого. Візьмемо, наприклад, дослідження Стенфордського університету. Перші конструкції літієвих батарей містили літієві аноди, аноди швидко виявилися неефективними і небезпечними, але вченим зі Стенфорда нещодавно вдалося вирішити ці проблеми, ізолювавши літій від електроліту спеціальним захисним шаром з вуглецевих наноструктур. Результат – подвоєння, а може і потроєння терміну служби батареї.

Батареї, виготовлені з піску, мають в 3 рази більшу ємність і термін служби, ніж традиційні батареї.

Чистий літієвий акумулятор є передбачуваним наступником сьогоднішніх батарей – інженерний керівник Стенфордського проекту І Цуй каже, що цей матеріал має “найбільший” потенціал з усіх матеріалів, які можуть бути використані в якості анодів. Але проблема полягає у виробництві: розробка Стенфордської команди ще не досягла необхідного промислового порогу ефективності (99,9 відсотка) для комерціалізації, і навіть коли це станеться, складність виробництва може призвести до високої ціни – десь в межах 25 000 доларів за батарею автомобільного розміру, заявив міністр енергетики США Стівен Чу в інтерв’ю Phys.org.

Тому вчені з Каліфорнійського університету в Ріверсайді звернулися до піску. Вони зібрали гранули з високим відсотком кварцу, розтерли їх з сіллю і магнієм, і, нарешті, нагріли, щоб видалити кисень і витягти чистий кремній. Кінцевий матеріал має втричі більшу ємність і термін служби, ніж традиційні батареї.

Але для телефонів, що лежать у наших кишенях, батареї з піску поки що не підходять. Дослідники ще не знайшли спосіб виробництва кремнієвого піску у великих масштабах; найбільша батарея, яку вони виготовили на сьогоднішній день, розміром з невелику монету.

Бар’єр на шляху до ринку для нових розробок настільки серйозний, що компанії-виробники пристроїв, такі як Apple, Google і Dyson, почали працювати безпосередньо з фірмами-виробниками акумуляторів, щоб прискорити розробку. Але за відсутності будь-яких значних проривів, виробники апаратного і програмного забезпечення розробили власні обхідні шляхи, щоб задовольнити наше інтенсивне прагнення до більш довговічних смартфонів, планшетів, електромобілів і ноутбуків.

Однією з причин швидкого розрядження батареї є Wi-Fi – сучасні телефони постійно відстежують бездротовий трафік поблизу, витрачаючи багато енергії на аналіз пакетів та пошук чистих каналів у середовищі, сповненому перешкоджаючих сигналів. Професор комп’ютерних наук та інженерії Мічиганського університету Канг Шин і докторант Сінью Чжан запропонували рішення, яке вони назвали Energy-Minimizing Idle Listening (E-MiLi).

E-MiLi економить енергію, сповільнюючи роботу внутрішнього бездротового чіпа, коли Wi-Fi не використовується, що, за словами Шин і Чжан, призводить до середньої економії енергії близько 44 відсотків. Крім того, E-MiLi сумісний з 92 відсотками мобільних пристроїв. Але, як завжди, є заковика: для його роботи потрібні бездротові маршрутизатори зі спеціальною прошивкою.

Річ Шиблі / Digital Trends

Ще одна ідея, над якою розмірковують дослідники, – це швидка зарядка. Це загальний термін, який охоплює все – від оптимізованого програмного забезпечення до посилених конденсаторів, але концепція проста: адаптери живлення з дуже, дуже короткими циклами зарядки. В середині 2013 року 18-річний студент продемонстрував суперконденсатор на науково-технічній виставці Intel, здатний заряджати батарею смартфона за 30 секунд. Колонка Blueshift Bamboo, яка працює за аналогічним принципом, може заряджатися за лічені хвилини і працювати протягом шести годин.

Деякі додаткові зарядні пристрої набагато божевільніші. Розкішний смартфон від Tag Heuer має фотоелектричні шари, які заряджають його батарею від сонячного світла. Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго створили тимчасове “татуювання-батарею”, яка заряджається від поту. А вчені з Nokia і Лондонського університету королеви Марії наразі працюють над “наногенераторами”, призначеними для вироблення електроенергії зі звуків, таких як людські голоси, рух транспорту і музика.

Деякі вдосконалення батарей вже відбуваються

Оскільки нові моделі акумуляторів продовжують свій невблаганний, але млявий шлях до комерціалізації, компанії-виробники електроніки та програмного забезпечення опиняються в тому ж становищі, в якому вони перебували протягом останніх 23 років: їм доводиться працювати в умовах обмежень застарілої технології. Деякі з них були більш успішними, ніж інші, у лікуванні симптомів – наприклад, LG впровадила багатошарову літій-іонну конструкцію в G2, що, як вона стверджує, збільшило потужність на 16 відсотків – але до тих пір, поки причини низької потужності і поганої довговічності не будуть усунені, мало що зміниться.

Сумна реальність полягає в тому, що, за винятком зовнішніх зарядних пристроїв і акумуляторів сторонніх виробників, хорошої альтернативи літій-іонним батареям поки що не існує; більшість досліджень залишаються на стадії прототипів, проміжні і вторинні рішення не настільки практичні – ваш наступний смартфон навряд чи буде оснащений сонячною батареєю, енергозберігаючим програмним забезпеченням Wi-Fi або наногенераторами.

Срібної кулі для вирішення проблем літій-іонних акумуляторів наразі не існує, але ми бачили деякі прориви в таких установах, як Технологічний університет Нанґян, де дослідники розробили анод з діоксиду титану, що швидко заряджається. Також прискорюється розробка альтернативних варіантів. У квітні вчені NASA ліцензували технологію, яка може перетворювати тепло автомобільних вихлопів в корисну електроенергію, а дослідники японської компанії Fuji Pigment зробили кроки до комерціалізації алюмінієво-повітряної технології, батарей з теоретичною ємністю в 40 разів більшою, ніж у літій-іонних.

Дайте йому ще кілька років

Звичайно, літій-іонні батареї мають свої переваги: вони дешеві, прості у виробництві і порівняно стабільні. Але вони також величезні і служать недовго. Не дивно, що існує гостра потреба в альтернативах, і хоча їх поки що немає, є підстави для надії. Над “літій-іонною проблемою” працює більше дослідників, ніж будь-коли раніше. Деякі альтернативні конструкції батарей також наближаються до комерціалізації. І деякі напівзаходи не такі вже й погані – QuickCharge від Qualcomm, так звана технологія швидкої зарядки, вбудована в деякі смартфони, різко прискорює зарядку.

Це правда, що літій-іонні батареї ще не зовсім померли, але вони близькі до цього, як ніколи раніше. Небезпідставно можна спрогнозувати, що через п’ять або менше років смартфони, які працюють менше кількох днів від одного заряду, здаватимуться позитивно (без каламбуру) доісторичними.

Рекомендації редакції

• Samsung Galaxy S23: дата виходу, характеристики, ціна, чутки і новини
• Як iPhone 14 Plus став одним з найбільших технологічних провалів 2022 року
• Щойно придбали новий iPhone? Ось 12 порад і підказок, як його освоїти
• Apple може скасувати iPhone SE 4 в наступному році – і я радий
• Фотографічні стилі – найбільш недооцінена функція камери iPhone 14, яку ви не використовуєте

Source: digitaltrends.com