{"id":13505,"url":"\/distributions\/13505\/click?bit=1&hash=ca3734639136826288c9056e5c8fa03a05e87c4060ae84df200f2c90f5262470","title":"\u0412\u044b \u0440\u0430\u0437\u0440\u0430\u0431\u043e\u0442\u0447\u0438\u043a? \u0410 \u043f\u043e\u043d\u0438\u043c\u0430\u0435\u0442\u0435 \u0447\u0442\u043e-\u0442\u043e \u0432 \u0438\u0441\u043a\u0443\u0441\u0441\u0442\u0432\u0435 \u043a\u043e\u0434\u0430?","buttonText":"\u041f\u0440\u043e\u0432\u0435\u0440\u0438\u0442\u044c","imageUuid":"f5f0e11f-fefd-52f5-8712-82164a59b7ce","isPaidAndBannersEnabled":false}
Будущее
Anastasia Chechkova

Эпоха новых аккумуляторов

Конспект статьи журнала Wired о том, почему учёные во всём мире ищут замену литий-ионному аккумулятору и какие альтернативы есть сегодня.

Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. 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.

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

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

Как работает аккумулятор

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

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

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

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

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

Создание литий-ионного аккумулятора

В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. 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.

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

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

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

Альтернативы литий-ионному аккумулятору

На основе кремния

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

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

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

Компании Sila потребовалось пять лет, чтобы создать материал, позволяющий кремнию расширяться без изменения внешней структуры анода. 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%).

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. Даже маленькая ошибка может привести к катастрофе. Ярким примером тому служит Galaxy Note 7.

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

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

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

На основе углерода

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

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

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

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

Аккумуляторам, разработанным ZapGo, ещё не хватает мощности, чтобы питать смартфоны, Воллер планирует решить эту проблему к 2022 году. Для этого придётся изменить способ зарядки смартфонов. 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, накапливало 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.

0
61 комментарий
Написать комментарий...
Edward

Основное в статье: дешевые аккумуляторы (любая другая полезная технология) невыгодно производителям техники.
Нужен внешний враг - продолжаем искать инопланетян.

Ответить
Развернуть ветку
Павел Павлов

В статье написано про долговечные аккумуляторы, что собственно всем живущим в эпоху перепроизводства понятно.
А уж дешёвые они будут, или супер ёмкие, будет только в плюс всем. К тому же некоторые яблочные компании умеют продавать даже дешёвые провода за 50$, так что и с аккумуляторами проблем возникнуть не должно.

Ответить
Развернуть ветку
18 комментариев
Anton Ilabanau
> дешевые аккумуляторы (любая другая полезная технология) невыгодно производителям техники.

очень даже выгодно. для хомячков цена не изменится, а прибыль вырастет.

Ответить
Развернуть ветку
Последний Макс

Комментарий недоступен

Ответить
Развернуть ветку
3 комментария
Леонид Ефимович

«Волга-Атом»
В апреле 1965 года машина выехала на испытательный полигон под Северском. По воспоминаниям принимавшего участие в разработке двигателя Валентина Семенова, которому удалось прокатиться за рулем автомобиля (или атомобиля?), ощущения были весьма необычными: машина была очень тяжелой, но мощность двигателя компенсировала повышенную массу. Разгон был бодрым, а вот с торможением дело обстояло хуже. И еще мотор сильно грелся, и в автомобиле, несмотря на сибирскую прохладную весну, было очень жарко.

Ответить
Развернуть ветку
Александр Перешеин

Забыл добавить, что эта статья в «Механике» была опубликована, как первоапрельская шутка ))

Ответить
Развернуть ветку
2 комментария
Артём Прудовский

не знаю, что там насчет эпох, но вот вам анекдот:

Знаете как называется Поп, который собирает пожертвования на кикстартере?
Инди Поп

Ответить
Развернуть ветку
Двойной яд

Звучит как пропаганда запада и оскорбление чувств верующих

Ответить
Развернуть ветку
2 комментария
Ильдар Кравченко
положительно заряженный катод и отрицательно заряженный анод

Катод — отрицательный электрод, анод — положительный

атомы металла теряют электроны и становятся отрицательно заряженными ионами

Но ведь если атом теряет электрон, уравновешивающий его положительно заряженное ядро, то атом становится положительно заряженным ионом, нет?

...притягиваются к отрицательно заряженному катоду

Если ион отрицательного заряда, то как он может притягиваться к отрицательно заряженному электроду? Ион положительный, потому и притягивается к катоду

электроны, являющиеся отрицательно заряженными частицами, так же притягиваются к катоду

Отрицательно заряженные частицы не притягиваются к одноименно заряженному электроду, электроны не могут притягиваться к катоду

Я либо тупой, либо автор статьи перепутал все законы электродинамики.

Ответить
Развернуть ветку
Антон Василик

Да, ляпов много. Я бы даже сказал, что их критическая масса превышена)

Но стоит отметить, что один момент автор лишь хотел показать красиво:
«В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи.»

Ответить
Развернуть ветку
1 комментарий

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку
Василий Водокачкин
при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться

Хороший повод, чтобы посадить кого-нибудь.

Живущий в России американец заказал чистящее средство. И уже год сидит по обвинению в контрабанде наркотиков
https://www.bbc.com/russian/news-45241559

Ответить
Развернуть ветку
Dmitry Zhakota

1. Аккумулятор большой ёмкости запрещены для перевозки без термо упаковки в большинстве авиакомпаний.

2. Нехер покупать всякую херню на али и т.п. )))
Заказал пару лет назад растворимые таблетки для стеклоомывайки. Тормознули заказ на таможне. Теперь знаю - спасибо, что не доставили )))

Ответить
Развернуть ветку
5 комментариев
Петр Челпанов

"...В аккумуляторе не протекает никаких химических реакций, поэтому он может выдержать до 100 тысяч циклов разрядки (30 лет каждодневного использования), что невыгодно производителям техники...."

И ведь, если осилят, бизнес задавит, надо же лопатой деньги грести с потребителей...

Ответить
Развернуть ветку
Последний Макс

Комментарий недоступен

Ответить
Развернуть ветку
7 комментариев
Андрей Жиганов

Мне кажется в этой стезе, бизнес наоборот "подхватит".
К примеру, "прорвет" Аппл на новую технологию и все, рынок их. А от такого не откажутся...

Ответить
Развернуть ветку
3 комментария
Аккаунт удален

Комментарий недоступен

Ответить
Развернуть ветку
Yuri Baranov

«В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. (...) Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор (...)»

Все-таки первый литиевый аккумулятор, наверное. Аккумуляторы существовали и до 77-го года, это точно )

Ответить
Развернуть ветку
Антон Василик

Рекомендую интересующимся прочитать о Graphenano.
Испанская компания, занимаются разработкой аккумуляторов на основе графеновых плёнок.
(Графеновая пленка - это углеродная пленка толщиной в одну молекулу)
Я им писал, интересовался ходом работ в этом направлении, о планах - ответили, что все это жутко конфиденциально, мол, ждите новости из СМИ и тп.

Суть: этот материал просто волшебный, гораздо более эффективный, дешевый и безопасный, чем все нынешние аккумуляторы на основе лития и чего бы то ни было ещё.

P.S. Питаю надежду, что умелые китайцы или наши ребята на основе новых «чудесных» материалов сделают батарейку для моего Лифа первого поколения. Тогда поедем и в горы, и на море :)

Ответить
Развернуть ветку
Сергей Сапрыкин
Ответить
Развернуть ветку
Анатолий Устинов

Вопрос с "вечностью" аккумуляторов обязательно решат. И возможно не только путем уменьшения срока службы. Не исключаю единые типоразмеры блоков, которые устроят всех производителей и позволят создавать носимые устройства с их использованием. Вариантов много. Можно и абонплату брать за год использования аккумулятора.

Ответить
Развернуть ветку
Константин Зверев

А в этот момент, где-то на горизонте, маячили нанотрубки углеродные!

Ответить
Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку
Slava Likh

Решение - генерировать энергию внутри устройства или развивать беспроводные электросети.

Технология ёмкостного аккумулятора явно утопия.

Ответить
Развернуть ветку
Василий Жевнеров

Так в космической теме уже давно придуманы долгоиграющие АКБ, думается дело в стоимости производства , но эту тематику ждёт неизбежная революция и эволюция как и со светодиодами

Ответить
Развернуть ветку
Максим Ростокин

Если они все на атомном «движке», не сомневаюсь, что их массовое внедрение сильно поднимет демографию в стране )

Ответить
Развернуть ветку
Piter Moscov

автор статьи совершенно необразован. зачем он пишет такой бред, совершенно непонятно.

Ответить
Развернуть ветку
Арсений Ахмадуллин

Хокинг говорил, что в будущем мы будем использовать мини-чёрные дыры как источники энергии для носимой электроники. Не помню, в апреле ли это было.

Ответить
Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку
Читать все 61 комментарий
null