Подробности о начинке вашего любимого смартфона и перспективной начинке будущего
На почве скандалов со взрывоопасными батареями в печально прославившихся Samsung Note 7 эксперты мобильного мира все чаще обсуждают, что будущее мобильной электроники – в твердотельных батареях. Вам интересно, что это такое и чем они отличаются от ныне используемых литий-ионных?
Ключевое различие между привычными литий-ионными батареями и твердотельными заключается в том, что литий-ионные батареи используют жидкий электролит, а твердотельные – твердый. Электролит – это токопроводящая смесь веществ, которая обеспечивает течение тока между анодом и катодом («минусом» и «плюсом» внутри батареи). Твердотельные батареи работают по тому же принципу, что и ионные: при зарядке ионы лития перемещаются на катод, откуда при выключении зарядного устройства отправляются в свободное плавание через электролит обратно к аноду, создавая электрический ток. Изменение в материалах позволяет добиться значительного изменения свойств, в том числе максимального объема, времени зарядки, размера и уровня безопасности.
Схема литий-ионной батареи
Компактность
В первую очередь, переход от жидкого к твердому электролиту обеспечивает увеличение количества энергии на тот же размер аккумулятора. В «жидкотельных» батареях необходим ощутимый слой жидкости и специальный сепаратор, разделяющий катод и анод, чтобы избежать короткого замыкания. Для твердотельного аккумулятора достаточно куда более тонкого барьера.
Сепараторы в литий-ионных аккумуляторах обычно имеют толщину около 20-30 микрон (0.02-0.03 мм), а в твердотельных используются сепараторы в 3-4 микрона – примерно в 7 раз более тонкие. Конечно, сепаратор – не единственный объемный предмет внутри батареи, и катод с анодом так сжать не выйдет. Но все же в твердотельную батарею «влезает» примерно вдвое больше энергии, чем в литий-ионную такой же толщины.
Твердотельная батарея намного компактнее литий-ионной
Надежность
Твердотельные электролиты куда меньше склонны к химическим реакциям, чем жидкость или гель, поэтому они работают намного дольше и не требуют замены через 2-3 года. Также это означает, что такие батареи не загорятся и не взорвутся от производственных дефектов или при повреждении.
В нынешних смартфонах через год-два использования приходится менять аккумулятор. Они хуже держат заряд, начинает мерцать экран или телефон спонтанно уходит в перезагрузку. С твердотельными батареями смартфон проживет куда дольше без замены запчастей.
Виды твердотельных батарей
Но говорить о «твердотельных батареях» в целом – это упрощение, потому что в батареях используется множество различных видов твердых химических соединений: литиевые гидриды, гранаты, ангродиты, перовскиты, литиевые галогениды, литиевые и натриевые ионные проводники. Большая часть из этих видов все еще использует литий в качестве материала для электродов, но некоторые ищут альтернативные материалы для катода и анода.
Литий-полимерные батареи уже есть на рынке
На текущий момент из присутствующих на рынке типов твердотельных аккумуляторов наиболее успешен литий-полимерный (LiPo). Аккумуляторы этого типа очень легкие, тонкие и даже гибкие, и теряет только 5% мощности после 40 тыс. циклов зарядки (для сравнения, литий-ионные выдерживают не больше тысячи циклов). Но, к сожалению, у этого типа недостаточно высокая общая емкость и проводимость, так что его мощность не позволяет использовать этот аккумулятор в бытовой технике.
Проводимость – это общая беда твердотельных аккумуляторов, ведь ионам намного сложнее передвигаться через твердое вещество, чем через жидкость. Только поэтому твердотельные батареи все еще не встречаются в смартфонах, ноутбуках и электромашинах. Но сейчас ученые ведут разработку новых материалов на основе гранатов, которые потенциально могут решить эту проблему.
Популярная модель литий-полимерного аккумулятора
Полноценные твердотельные батареи для смартфонов мы не увидим еще лет пять. По крайней мере, так считают эксперты. Но вот в других устройствах (например, в дронах) они могут появится уже в следующем году. Последние исследования дают результаты, которые могут конкурировать с существующими литий-ионными аккумуляторами с точки зрения основных свойств, но имеют все преимущества твердотельных батарей. Все, что нужно, – чтобы производственный процесс вышел «на конвейер».
Основные преимущества твердотельных батарей – до 6 раз более быстрая зарядка, удвоение емкости, цикл жизни около 10 лет, невоспламеняющиеся компоненты – несомненно, изменят рынок смартфонов и портативных устройств к лучшему.
