Батарее iPhone 8 будут не страшны мороз и жар
А заряжаться она сможет за минуты.
В текущий момент в аккумуляторной области все печально, как и 10 лет назад. А как же хочется надежную, долгоиграющую батарею для любимого гаджета, чтобы заряжать ее пришлось раз в неделю? Мы пока только мечтаем об этом, но ученые уже вовсю ведут работу по реализации таких вот мечтаний.
Японские исследователи при поддержке Toyota, похоже, нашли способ создать новый полностью твердотельный аккумулятор. Он более компактный, чем литий-ионный, более энергоемкий, заряжается со скоростью ионистора (то есть за минуты). Наконец, он безопасней в использовании. Как такое возможно? Оказалось, таких показателей можно добиться, заменив жидкий электролит в батарее кристаллом.
Обычные батареи по своей структуре довольно простые. Это два электрода, в которых ионы обмениваются электронами, разделенными проводящим электролитом. Электролиты обычно жидкие, поскольку в жидкой среде электроны легко отделяются от иона и свободно движутся между электродами. К сожалению, у таких аккумуляторов есть недостаток: утечка электролита приводит к порче батареи.
Аккумуляторы с твердыми электролитами, конечно же, были бы надежнее. Но обеспечить движение электронов в твердом проводнике сложнее. Подобные батареи разрабатывались, но коммерческого применения так и не нашли.
Прорыв в этой области наметился, когда в 2011 году группа ученых при поддержке Toyota опубликовала результаты своих трудов. Их открытие оказалось весьма простым: вместо твердого электролита было решено использовать проводник с кристаллической структурой.
В нем ионы лития располагаются рядами, а электроны получают возможность свободно двигаться между «решетками» кристалла. До сих пор исследователи не могли подобрать нужный материал для электролита — стабильный по химическим свойствам и недорогой для массового использования. Однако сейчас они, похоже, нашли решение, точнее, пару элементов, которые могут подойти в качестве электролита для полностью твердотельных батарей.
Первый из кристаллов имеет очень сложную формулу — Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3. Для энергозатратных процессов этот материал оказался очень подходящим. Второй кристалл, Li9.6P3S12, больше подходит для высоковольтных батарей. Оба материала химически стабильны, и основываются на доступном по стоимости сырье. Их структура представляет собой что-то вроде трехмерной сетки, в которой ионы могут перемещаться практически в любом направлении. (Отсюда — проводимость вдвое больше, чем у твердых электролитов.)
Оказалось, что аккумуляторы на базе таких кристаллических электролитов могут работать в огромном температурном диапазоне — от –30°С до +100°С. Существующим в коммерческом применении батареям такой показатель и не снился (среднее по «больнице» значение у них — от 0°C до +35°C).
Еще у этих аккумуляторов быстрый цикл зарядки-разрядки — всего 7 минут. При высоких температурах показатель разрядки у них даже лучше, чем у ионисторов. Удельная энергоемкость (слабое место ионисторов), напротив, схожа с емкостью литий-ионных батарей.
При самом первом цикле зарядки-разрядки такой аккумулятор теряет около 10% своей изначальной энергоемкости. Однако затем, после 500 циклов, энергоемкость сохраняется на уровне 75% от оригинальной. Это значит, что потери энергоемкости после первого цикла ничтожно малы.
Энергоемкость нового вида батарей обеспечивается именно за счет кристаллической структуры электролита. Кристаллическая сетка позволяет ионам лития перемещаться в трех плоскостях. Да и количество их здесь больше, чем в жидком проводнике, примерно в 20 раз. Еще кристалл не замерзает и не поддается химическому разложению под действием высоких температур. В итоге, производительность такого аккумулятора вырастает в разы.
Открытие это потрясающее. Его можно назвать вторым серьезным шагом в решении проблемы с современными батареями, которые уже плохо справляются с потребностями новейших гаджетов. Первый шаг за Dyson.
Тем не менее, это лишь начало пути. Ученые сообщают, что только начали тестировать разные типы электродов для выявления оптимальной комбинации. Ведь здесь приходится учитывать и вероятность расширения или сжатия лития при изменении условий работы батареи. К тому же под вопросом пока стоит и процесс зарядки такого аккумулятора — заряжается он очень быстро, что требует особых условий в процессе.
Исследователи осознают все свои задачи и работают над их решением. По их словам, готовые батареи окажутся более простыми по своему строению при довольно высокой удельной энергоемкости. Среди перспективных идей рассматривается использование в качестве переносчика заряда гидроксида лития и иодида лития, или лития и серы. (Такие материалы могут обеспечить еще более высокую энергоемкость аккумулятора при использовании с кристаллическим проводником.) [ArsTechnica]
Когда же ждать прорыва в аккумуляторной области? Может быть в iPhone 8 мы уже увидим батарею нового типа, а может и в более поздней модели. Например, Dyson обещает наладить выпуск коммерческих твердотельных аккумуляторов к 2018 году. Они втрое более емкие, чем современные литий-ионные батареи.
Что касается японских ученых, то они конкретных планов касательно коммерческого релиза технологии не строят. Их дело создать базу, а за ее реализацию в готовом товаре отвечают другие структуры. Может Samsung поддержит башковитых товарищей, а может и Apple поучаствует или Tesla. Кто знает? В новых батареях заинтересовано все человечество, и они нужны в большинстве сфер человеческой деятельности.
