Попит Мартіна Аббеглена / Flickr Record на зовнішні зарядні пристрої є одним із проявів прагнення до гаджетів, які можуть тривати цілими днями без напруги, і яке це сильне бажання: у 2012 році опитування JD Power and Associates виявило, що час автономної роботи більше, ніж будь-який інший функція, сприяла незадоволенню покупців смартфонів. Це навряд чи змінилося б сьогодні, коли середній смартфон може переглядати веб-сторінки лише близько 8 годин, перш ніж померти… на Wi-Fi.
Спочатку здається, що провина лежить на виробниках смартфонів. Можна припустити, що батареї, що живлять флагмани від Samsung, LG, Motorola тощо, вибирають відповідні інженери. Правда, однак, є більш тонкою: літій-іонні батареї майже на всіх пристроях сьогодні кардинально не змінилися з часу їх появи 23 роки тому. Цей тривалий застій змусив компанії піти на компроміси щодо розміру смартфона, часу автономної роботи або того й іншого. Або такий пристрій, як телефон, може бути тонким, або він може отримати пристойний час автономної роботи.
Тож як ми точно дійшли до цієї точки і куди йдемо? Покращені конструкції акумуляторів лежать на горизонті, але чи з’являться вони коли-небудь на ринку? Чи мають якісь нові технології акумуляторів реальні шанси покласти край нашій залежності від іонів літію, і чи допоможуть інші рішення тим часом зробити придатними сьогоднішні батареї? Ми намагалися це з’ясувати.
Як працюють акумулятори
Перші літій-іонні акумулятори були вибухонебезпечними. Буквально. Sony та хімічна компанія Asashi Kasei навчилися цього важким шляхом, коли в 1991 році перша комерційна літієва батарея на металевій основі згоріла через стільниковий телефон і завдала опіки обличчю чоловіка.
Літій-іонні акумулятори майже на всіх пристроях сьогодні не змінились кардинально з часу їх появи 23 роки тому.
Однак це не завадило літій-іонним елементам стати головним джерелом живлення в портативних пристроях. Причина? По-перше, вони набагато енергійніші, ніж альтернативні варіанти, але відносно не потребують технічного обслуговування. На відміну від інших акумуляторів, вони не потребують розряду, не мають пам'яті, не відчувають накопичення сульфатів, що вбивають клітини, і містять менше токсичних металів, ніж більшість інших батарей. Літій-іонні акумулятори, простіше кажучи, одні з найбільш універсальних серійних батарей навколо.
Але вони обмежені іншими способами, головним чином, щільністю енергії. Причина, за словами віце-президента з маркетингу Leyden Energy Ноама Кедема в інтерв'ю CNET, полягає в тому, що "[v] густина об'ємної енергії падає, оскільки [іонні клітини літію] тоншають, оскільки упаковка займає більший відсоток енергетичного об'єму". Що це означає для пересічного споживача? Якщо вам потрібен великий час автономної роботи, вам доведеться піти на компроміс щодо розміру.
Візьмемо цей приклад: Nokia Lumia 1520 може прослужити до 107 годин на заряді, але має розмір 6,4 дюйма в розмірі - розмір фаблета. 6,34-дюймовий Huawei Ascend Mate2 4G працює приблизно стільки ж. Єдиним меншим телефоном, котрий тримає себе в області гігантів, є Xperia Z3 Compact, якому вдається виграти 101 годину в хороший день. Але досягнення цього подвигу вимагало від дизайнерів Sony вибору 720p-дисплея, надзвичайної специфікації для смартфона за ціною 630 доларів.
Sony Xperia Z3 Compact Дійсно розчаровує те, що навіть ці великі акумулятори не прослужать довго. Apple оцінює акумулятор iPhone у 80 відсотків ємності при 50 зарядах, що, якщо припустити, що ви заряджаєте телефон раз на ніч, становить близько півтора року.
Окрім цих обмежень, є питання безпеки. Сьогодні літій-іонні акумулятори можуть бути не такими небезпечними, як конструкції на металевій основі в минулі часи, але тупа сила все одно може призвести до їх короткого замикання, розпаду або виділення шкідливого газу. Помилки трапляються рідко, але результати можуть бути кардинальними - два роки тому проколотий акумулятор призвів до того, що Tesla Model S спалахнув полум’ям, а вірусне відео ілюструє, що може статися, коли ти вдарив молотком акумулятор Samsung Galaxy S5.
З огляду на незліченну кількість проблем, не дивно, що як серед споживачів, так і серед виробників пристроїв існує прагнення до менших, щільніших та безпечніших альтернатив. Тема розслідування на цьому фронті є багатообіцяючою, але фокус, виявляється, не обов’язково дослідження, а адаптація конструкцій для масового виробництва. Зниження витрат, пов’язаних з виготовленням, та досягнення ефективності часто є найскладнішою частиною виведення нових батарей на ринок.
Батареї майбутнього приходять повільно
Є кращі акумулятори, а деякі походять від ідей минулого. Візьмемо, наприклад, дослідження Стенфордського університету. Перші конструкції літієвих батарей містили літієві аноди, аноди швидко виявилися неефективними та небезпечними, але нещодавно вченим із Стенфорда вдалося вирішити ці проблеми, ізолюючи літій від електроліту спеціальним захисним шаром вуглецевих наноструктур. Результат - подвоєння, можливо, потроєння часу автономної роботи.
Батареї, виготовлені з піску, мають втричі більшу ємність і тривалість життя традиційних батарей.
Чисто літієва батарея є передбачуваним спадкоємцем сучасних батарей - інженер-керівник проекту у Стенфорді І Цуй каже, що матеріал має "найбільший" потенціал з усіх матеріалів, які можна використовувати як аноди. Але виробництво - це проблема: дизайн команди Стенфорда ще не досяг необхідного галузевого порогу ефективності (99,9 відсотка) для комерціалізації, і навіть коли це відбувається, складність виготовлення може призвести до високої ціни - десь в межах 25 000 доларів щодо акумулятора розміром з автомобіль, сказав міністр енергетики Стівен Чу на Phys.org.
Ось чому вчені з Каліфорнійського університету Ріверсайд перетворилися на пісок. Вони збирали гранули з високим відсотком кварцу, подрібнювали їх сіллю і магнієм і, нарешті, нагрівали для видалення кисню та вилучення чистого кремнію. Кінцевий матеріал у три рази перевищує ємність та тривалість життя традиційних батарей.
Але акумулятори від піску поки неможливі для телефонів у наших кишенях. Дослідники ще не відкрили спосіб отримання кремнієвого піску в масштабі; найбільший акумулятор, який вони виготовили на сьогоднішній день, - це розмір дрібної монети.
Кан Шін та Сінью Чжан Бар'єр на ринку нових конструкцій настільки серйозний, що компанії-виробники, такі як Apple, Google і Dyson, почали працювати безпосередньо з фірмами, що займаються акумуляторами, для прискорення розвитку. Але за відсутності якихось значних проривів, виробники апаратного та програмного забезпечення розробили власні обхідні шляхи, щоб вирішити наше глибоке прагнення до смартфонів, планшетів, електричних автомобілів та ноутбуків, які працюють довше.
Однією з причин швидкого розряджання акумулятора є Wi-Fi - сучасні телефони постійно відстежують сусідній бездротовий трафік, витрачаючи багато енергії, вивчаючи пакети та шукаючи чіткі канали в середовищах, наповнених заважаючими сигналами. Професор комп'ютерних наук та інженерії Мічиганського університету Кан Шін та докторант Сінью Чжан придумали рішення, яке вони називають мінімізуючим прослуховуванням в режимі холостого ходу (E-MiLi).
E-MiLi економить електроенергію, сповільнюючи внутрішній бездротовий чіп, коли Wi-Fi не використовується, що, за словами Шіна і Чжана, забезпечує середню економію енергії близько 44 відсотків. Більше того, E-MiLi сумісний з 92 відсотками мобільних пристроїв. Але, як завжди, є і кришка: для роботи вона покладається на бездротові маршрутизатори зі спеціальною прошивкою.
Багаті Шиблі / Цифрові тенденції
Ще одна ідея, над якою обмірковують 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. У середині 2013 року 18-річний студент продемонстрував суперконденсатор на Науково-технічному ярмарку Intel, здатний зарядити акумулятор смартфона за 30 секунд. Динамік Blueshift Bamboo, який працює за подібним принципом, може заряджатися за лічені хвилини і тривати шість годин.
Деякі додаткові зарядні пристрої набагато божевільніші. Розкішний смартфон, виготовлений Tag Heuer, має фотоелектричні шари, які заряджають його батарею від сонячного світла. Дослідники з UC San Diego створили тимчасову "татуювання на батареї", яка заряджається потом. А вчені з Nokia та Лондонського університету королеви Марії в даний час працюють над «наногенераторами», призначеними для виробництва електроенергії із звуків, таких як людські голоси, рух транспорту та музика.
Деякі вдосконалення акумулятора вже відбуваються
Поки нові моделі акумуляторів продовжують свою невблаганну, але мляву боротьбу з комерціалізацією, електронні та програмні компанії опиняються приблизно в тому самому становищі, що і протягом останніх 23 років: їм доведеться обійти обмеження застарілої технології. Деякі з них успішніше, ніж інші, у лікуванні симптомів - LG впровадила багатошарову конструкцію іонів літію в G2, наприклад, яка заявляла про збільшення потужності на 16 відсотків, але до тих пір, поки причини низької ємності та низького терміну служби не розглядаються, мало що зміниться.
Прикро, що насправді є, за винятком зовнішніх зарядних пристроїв та сторонніх акумуляторів не є ще хороша альтернатива літій-іонним акумуляторам; більшість досліджень залишаються на стадії прототипу, тимчасові та вторинні рішення не є настільки практичними - ваш наступний смартфон насправді не має такої ймовірності мати сонячну панель, енергозберігаюче програмне забезпечення Wi-Fi або наногенератори.
Наразі в літій-іонних бідах у галузі акумуляторів немає срібної кулі, але ми бачили деякі досягнення таких установ, як Технологічний університет Наньян, де дослідники розробили швидкозарядний анод з діоксидом титану. Розробка альтернативних варіантів також прискорюється. У квітні вчені з ліцензованої технології NASA, яка може перетворювати тепло від вихлопних газів автомобілів у придатну для використання електроенергію, і дослідники японської компанії Fuji Pigment зробили кроки до комерціалізації алюмінієво-повітряних технологій - акумуляторів, теоретична ємність яких у 40 разів перевищує літій-іонні .
Дайте ще кілька років
Звичайно, літій-іонні акумулятори мають свої переваги: вони дешеві, прості у виготовленні та порівняно стабільні. Але вони також величезні і тривають недовго. Не дивно, що існує голод за альтернативами, і хоча жодної з них поки що насправді немає, є підстави сподіватися. Більше дослідників вирішує «проблему іонів літію», ніж будь-коли раніше. Деякі альтернативні конструкції акумуляторів теж наближаються до комерціалізації. А деякі з половинних показників тим часом не наполовину погані - QuickCharge від Qualcomm, так звана технологія швидкої зарядки, вбудована в деякі смартфони, різко прискорює зарядку.
Це правда, що смерть літій-іонного дзвінка ще не зовсім надійшла, але це ближче, ніж було коли-небудь. Нерозумно прогнозувати, що через п’ять або менше років смартфони, що працюють менше одного дня на одному заряді, здаватимуться позитивно (не каламбур) доісторичними.
