Когда смартфоны перестанут разряжаться всего за день

На днях инженеры из Уорикского университета в Великобритании рассказали об очередном изобретении, которое должно преобразить аккумуляторы. Команда под руководством Таздина Аметшаева разработала датчик для измерения внутренней температуры и электродных потенциалов. Раньше для этого использовали сложные внешние системы, а этот датчик помещается прямо внутрь батареи. Благодаря этому время зарядки можно будет сократить в пять раз без риска, что аккумулятор загорится.  

Британская разработка выглядит многообещающе. Только вот новости вроде этой появляются как минимум раз в месяц, а батареи в смартфонах годами почти не меняются.

Почему так плохи современные аккумуляторы

За последние годы смартфоны стали мощнее в несколько десятков раз. Емкость их батарей при этом выросла всего вдвое-втрое, да и то во многом потому, что аккуратные "трубки" в наших карманах превратились в громоздкие "лопаты" величиной почти с автомобильное зеркало.

Хуже того, аккумуляторы в смартфонах до сих пор подолгу заряжаются и со временем требуют подпитки все чаще: за 300–500 полных циклов их емкость уменьшается до 80–85% от изначальной, а потом сокращается дальше. Еще батареи устраивают сюрпризы на морозе, когда прямо на глазах заряд падает до нуля, а иногда даже взрываются, как было с моделью Galaxy Note 7.

Ученые, инженеры и производители об этом прекрасно знают и пытаются найти выход, тем более что надежные аккумуляторы нужны не только в портативной электронике — без них не обойтись в электромобилях, беспилотниках, космических аппаратах, на ветряных и солнечных электростанциях.

Почему все упирается в литий

Большинство разработок в этой области не революционны — они лишь совершенствуют литий-ионные батареи, которые появились на рынке еще в 1991 году. В наши дни на аккумуляторы уходит более трети всего добытого лития. Это удивительный металл: режется ножом, легче воды, но главное — его ионы крохотные, поэтому даже в маленькой батарее их помещается очень много. И чем больше литий-ионных батарей выпускается, тем меньше издержки на их производство, тем меньше у производителей стимулов изобретать что-то принципиально новое.

Литий используют во всех трех основных компонентах батарей: в катодах, электролите, реже — в анодах. А заменить в них пытаются все, кроме лития.

Прошлым летом ученые из Калифорнийского университета рассказали о батарее с электролитом на сжиженном газе вместо растворителя, которая работает даже в шестидесятиградусный мороз. Британская компания Oxis Energy разрабатывает аккумуляторы с литий-серными катодами. Такие батареи потенциально дешевые, в пять раз более емкие, не загораются, даже если их пробить насквозь, выдерживают больше перезарядок. А в фирме Nexeon занимаются батареями с кремниевым анодом, который теоретически может обеспечить десятикратную емкость при том же размере. 

Но ни одна из этих разработок еще не появилась на рынке, а в пресс-релизах и новостях никогда не называют даже примерные сроки внедрения инноваций. Причины этому разные. Часто улучшение одного параметра — емкости, долговечности или скорости заряда — достигается в ущерб остальным. Иногда бывает, что батарея прекрасно работает в лаборатории, но не в обычных условиях — например, быстро ломается из-за тряски. В других случаях массовое производство многообещающих прототипов оказывается невыгодным.

А порой ученые рассказывают о теоретических моделях. Когда же их проверяют на практике, оказывается, что процессы в батареях идут не так, как думали изобретатели. Физики и химики до сих пор делают открытия в этой области: как движутся электроны в литий-железо-фосфатных аккумуляторах, разобрались только в 2014 году, хотя об этом материале вышло более двух тысяч научных статей. Свойства батарей на основе других элементов, например родственного литию натрия, изучены еще хуже, поэтому неудивительно, что ими мало кто занимается.

Случится ли прорыв

По прогнозу компании Deloitte, к 2023 году большинство смартфонов по-прежнему будет питаться от литий-ионных батарей примерно такой же емкости, что и сейчас. 

Решение проблемы производители будут искать обходными путями. Во-первых, ради экономии энергии в смартфонах появятся отдельные чипы для разных типов задач. В последних флагманских моделях уже есть выделенные блоки для приложений, где используется искусственный интеллект: когда нужно, они разгружают прожорливый центральный процессор.

Во-вторых, крупнейшие производители, в том числе Apple и Samsung, приняли единый стандарт беспроводной зарядки Qi. Благодаря этому не нужно будет носить с собой кабель и искать розетку — смартфон можно будет зарядить, просто положив его на стол в кафе, зале ожидания, офисе, машине или дома.

Судя по всему, в обозримом будущем батареи смартфонов не станут намного лучше. Но благодаря другим технологиям мы будем замечать это намного реже.

Марат Кузаев