Вся правда о том, как развивались аккумуляторы в смартфонах04.06.2016 19:07

И что будет дальше. В том числе в iPhone.

От успехов в области портативных элементов питания зависит дальнейшее развитие индустрии потребительской электроники. Смартфоны, планшеты, ноутбуки электромобили — вот это все. Будут успехи — рванем далеко вперед, не будут — продолжим топтаться на месте.

Часто можно услышать фразу, мол, за последние пару десятков лет ничего в аккумуляторной области не изменилось. На самом деле мало что глобально менялось в последнюю пару сотен лет, а то и пару тысяч! Но это не значит, что человечество стоит на месте.

Во-первых, ученые заложили серьезную базу еще в 19 веке, которую и менять-то смысла нет, ведь таковы физические законы, через которые не перескачешь.

Во-вторых, изменения на самом деле есть — они значительны, но могут быть незаметны для простых пользователей, не закапывающихся в теорию. Сравните мобильные телефоны 15-летней давности и современные модели, которые фактически представляют собой компьютеры с огромными возможностями и достаточно большой автономностью, учитывая функциональность.

В-третьих, даже на коротких промежутках времени заметна большая разница в развитии аккумуляторных технологий. Отличный пример — компания Samsung и ее флагманские смартфоны. Тот же Galaxy S7 при сохранении габаритов получил более емкий аккумулятор, который можно полностью зарядить за 90 минут, да еще и с поддержкой беспроводной зарядки.

Но чтобы не быть голословным, позвольте рассказать, как же все начиналось и к чему пришло в итоге.

Содержание:

Принцип действия

Одноразовая батарейка или же многоразовый аккумулятор — все это химические источники тока, действующие на одних и тех же принципах. Если упрощенно, то электрический ток возникает за счет химической реакции, протекающей при замкнутой внешней цепи.

Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом.

В частности, на отрицательном аноде (свинец, кадмий, цинк и др. металлы) восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду (оксид свинца, марганца и другие), создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. В качестве же электролита используются растворы щелочей, кислот или солей.

Все просто, а пришли ученые к этому принципу еще в 1800 году…

Краткая история химического источника тока

Древнейшая батарея обнаружена в окресностях Багдада. По подсчетам ученых, ей около 2000 лет. Она представляет собой керамический кувшин с асфальтовой пробкой, из которой торчит железный стержень, окруженный медным цилиндром (электроды). Когда кувшин заполняется уксусом (электролит), то выдает напряжение в 1,1 Вольт. Предполагается, что такой прибор использовался для гальванизации посредством электролиза — нанесение покрытия из благородных металлов на изделия из более дешевого материала (например, покрытие серебра золотом).

Химический источник тока, давший жизнь всем современным аккумуляторам, изобрел итальянский ученый Алессандро Вольта в 1800 году. Он представлял собой сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, с проволочными токовыводами. Его назвали «элемент Вольта». Из нескольких таких элементов впоследствии энтузиаст собрал батарею, названную »вольтовым столбом».

Изобретение привлекло даже Наполеона, присутствовавшего при эксперименте, а затем осыпавшего ученого наградами и почестями. Но важнее, что благодаря нему в том же году ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл разложили воду на водород и кислород, открыв электролиз.

В свою очередь, спустя три года русский физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 2500 вольт. С его помощью он открыл такое важное явление, как электрическая дуга, которая по сей применяется в электросварке.

Еще 1803 год был примечателен разработкой Иоганна Вильгельма Риттера. Фактически он разработал прообраз современного аккумулятора, в те времена представляющего собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. При пропускании через данное устройство тока от вольтова столба оно само стало вести себя как источник электричества.

И еще несколько интересных фактов из древнейшей истории химических источников тока:

Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен физиком Гастоном Плантэ в 1859 году. Он поместил скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. До сих пор в практически неизменном виде такой тип элементов питания используется в автомобилях.
В 1865 году французский химик Ж. Лекланше создал гальванический элемент на основе цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли. Подобная конструкция и сейчас используется в солевых батарейках для бытовых устройств.
Самый старый поныне работающий гальванический элемент был изготовлен в 1840 году в Лондоне. Это пара серебряно-цинковых батарей, по сей день питающих звонок в Кларендонской лаборатории Оксфорда.
Первая щелочная батарея была создана в 1899 году шведом Вальдемаром Юнгером. Это никель-кадмиевый аккумулятор, используемый в практически неизменном виде до 1990 года. Затем ему на смену пришел экологически более чистый никель-металл-гидридный аккумулятор, питавший практически всю портативную в 90-е годы прошлого века.
От изобретения литий-ионных батарей до их промышленного внедрения прошло более 20 лет. Патент был зарегистрирован американским ученым Мэнли Уиттингем в 1970 году. В 1985 году японец Акира Йошино разработал эффективные электроды для такого рода элементов питания. И лишь в 2000-х литий-ионные аккумуляторы добрались до портативных устройств в том виде, в каком мы их знаем сегодня.
Последним серьезным нововведением в литий-ионных аккумуляторах стало применение полимерных материалов. Коммерческие батареи на их основе производятся с 2008 года.

Аккумуляторы сегодня

Разработками в области химических источников питания, как и 100–200 лет назад, занимаются ученые всего мира. Они создают основу для дальнейшего ее коммерческого развития и внедрения, которой уже занимаются крупные компании в том числе и Samsung. Последняя занимается исследованиями в аккумуляторной области с 1970 года, когда было создано подразделение Samsung SDI.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — это основной тип химического источника питания для современной портативной электроники. К слову, первый такой был выпущен компанией Sony в 1991 году.

Почему после NiMH выбор был сделан именно в пользу Li-ion? Смотрите сами:

такие батареи вдвое превосходят NiMH аналоги по емкости и почти в три раза — по удельной мощности;
плотность энергии Li-ion втрое выше, чем у NiMH;
Li-ion выдерживает очень высокие токи разряда, которые NiMH батареи не способны держать даже теоретически;
в несколько раз сниженный саморазряд (2–5% в месяц против 20%);
несущественный эффект памяти, который не влияет на эксплуатационные характеристики батареи (можно не париться с полным зарядом и разрядом АКБ).

Минусы имеются тоже:

Необходимость применения электронных контроллеров в ЗУ, чтобы избежать перегрева и перезаряда, что несколько увеличивает их стоимость.
Довольно узкий температурный коридор эффективной работы — от 0°С до +35°С. При снижении температуры ниже 0°С мощность литий-ионной батареи падает на 40–50%.
Глубокий разряд полностью выводит из строя Li-ion батарею.
Старение — за 2 года аккумулятор теряет 20% емкости, даже если вообще не используется.

Тем не менее, на фоне популярных ранее аккумуляторных технологий, минусы Li-ion не столь существенны и для обывателей практически незаметны, исключая случаи использования мобильных устройств в лютый холод и дикую жару. Зато плюсов масса.

Пик аккумуляторных технологий на примере Samsung Galaxy S7

Samsung — это один из основных инноваторов в современных аккумуляторных технологиях, используемых в потребительских устройствах. Компания занимается как научными исследованиями, так и их внедрением в коммерческие продукты.

Давайте рассмотрим, чего же она добилась на сегодняшний день, взяв в качестве наглядного примера Samsung Galaxy S7 и S7 edge.

Сравнивать будем с предшествующим флагманом Galaxy S6, который и сегодня смотрится весьма и весьма серьезным конкурентом другим устройствам в аналогичном классе, в том числе и по автономности.

Емкость больше, автономность — лучше

Емкость батареи у Galaxy S6 составляет 2550 мАч, в то время как у Galaxy S7 она увеличена до 3000 мАч при минимальном увеличении толщины корпуса (+1 мм). Это физическая прибавка в 18%, что впечатляет, так как была еще и повышена энергоэффективность компонентов смартфона, но об этом чуть позже.

Если сравнивать с Galaxy S7 edge то, при сохранении минимальных, как для 5,5-дюймового устройства, габаритах (150,9×72,6×7,7 мм) емкость его батареи увеличилась до 3600 мАч, что больше на внушительные 41% на фоне упомянутого выше предшественника. Емкость батареи у Galaxy S6 edge Plus отстает тоже (3000 мАч). В значительно более крупном iPhone 6s Plus же она составляет еще более скромные 2750 мАч.

Технологии энергосбережения стали круче тоже

Повышенная емкость — это в любом случае большее время автономной работы, но она является лишь одним из путей увеличения автономности. В Samsung же стараются использовать их все, в том числе и не всегда заметные на первый взгляд.

Так, самым главным потребителем энергии смартфоне является дисплей. В случае с технологией ЖК сложно выдумать что-то новое, а вот если речь об AMOLED, то тут есть интересные пути. Особенно учитывая тот факт, что Samsung лидер в данной области.

Компания из года в год умудряется снизить энергопотребление AMOLED-матриц и добилась ощутимых успехов. Так во время основных схем эксплуатации светодиодные экраны в смартфонах Samsung уже потребляют значительно меньше IPS-матриц. Но в последнем поколении смартфонов корейские дисплеи используют еще на 20% меньше энергии даже в режиме ожидания. Кроме того, новые аппаратные алгоритмы энергосбережения Smart Power Saving позволяют сэкономить заряд аккумулятора в разных режимах работы дисплея, гибко управляя энергообеспечением его компонентов.

Помимо этого компания реализовала в своих флагманах и ряде других мобильных устройств два режима энергосбережения: базовый и экстремальный. Они позволяют серьезно экономить заряд аккумулятора в случаях, когда необходимы лишь основные функции, например, оставаться на связи, а заряда батареи осталось совсем мало. Или же не будет возможности подзарядить устройство в дороге.

Так, в базовом режиме энергосбережения экономия заряда батареи осуществляется за счет:

ограничения обмена данными в фоне;
ограничения производительности процессора;
использования экрана в оттенках серого (в этом режиме AMOLED-дисплей потребляет намного меньше энергии);
снижения яркости и частоты обновления экрана.

В режиме экстремального энергосбережения к упомянутым выше функциям добавлены следующие:

отключение передачи мобильных данных при отключении подсветки экрана;
отключение LTE, доступна работа только в сетях 3G и 2G (опция настраиваемая);
отключение доступа ко всем приложениям, кроме тех, которые выбраны из списка (максимальное количество приложений — 6);
отключение передачи данных в мобильной сети, когда экран выключен;
отключение функций Wi-Fi, GPS и Bluetooth.

Естественно, любой из режимов можно настроить под себя, после чего активировать нужный одним нажатием. Да, все это программные ухищрения (исключая манипуляции с дисплеем), но, пытаясь настроить все эти опции вручную, потратишь намного больше времени, чем в случае, когда они интегрированы компанией в операционную систему. Проще говоря, самостоятельно с этим заморачиваться не будешь, а значит и экономии энергии не будет. В случае же с мобильными устройствами Samsung все сделано в лучшем виде — один клик и автономность устройства увеличивается в разы.

Бесконтактное питание и высокая скорость восстановления заряда

Еще один путь повышения комфортности использования мобильного устройства — повышение скорости зарядки батареи и использование бесконтактного питания.

У Samsung Galaxy S7 и S7 edge очень впечатляющие показатели в этой области. Так, за 30 минут они восстанавливает половину заряда. За час — около 70%. За 90 минут полностью заряжается Galaxy S7, а у S7 edge на это уходит 100 минут. Не поддерживающим быструю зарядку смартфонам требуется, как минимум, вдвое больше времени на аналогичные операции.

Не менее интересна и поддержка новинками обеих актуальных нынче технологий беспроводной зарядки: WPC 1.1 и PMA 1.0. Вся электроника встроена прямо в корпус смартфона. То есть, достаточно положить его на специальную зарядную площадку для восстановления заряда батареи.

Более того, появилась поддержка быстрой беспроводной зарядки, что является уникальной фишкой Galaxy S7/S7 edge. Для сравнения Galsxy S6 в бесконтактном режиме полностью заряжается за 180 минут, Galaxy S7 — за 130 минут (на 63% быстрее для той же емкости), S7 edge — за 155 минут (на 64% быстрее).

К слову, беспроводной передачей энергии ученые начали интересоваться еще в 19 веке и это очень интересное направление науки, о котором стоит рассказать чуть подробнее.

Интересные факты о беспроводной передаче электричества

Современная беспроводная зарядка портативных устройств является лишь простейшей реализацией потенциала технологий, основы которых были заложены в 19 веке. Более того, ученые того времени проводили невероятные опыты, актуальные даже сегодня.

Одно дело — зарядить смартфон при минимальном расстоянии между ЗУ и аккумулятором и совсем другое — на расстоянии зажечь прожорливую лампу накаливания. Никола Тесла сделал это еще в 1894 году. Intel смогла повторить опыт только в 2008 году (передача энергии на расстоянии с КПД 75%).
В начале 20 века Никола Тесла разработал мировую систему обеспечения электроэнергией без проводов и привычных электростанций и эфспериментально доказал жизнеспособность его теории. Он начал воплощать идею в жизнь со строительства Башни Ворденклиф. Свою разработку ученый назвал »Методом возбуждения заряда земли и воздуха». В теории человечество получило бы бесплатную электроэнергию буквально из воздуха. К сожалению, финансирование ученому урезали и испытания он провести не смог.
в 1931 году Тесла снял бензиновый двигатель с нового автомобиля фирмы Pierce-Arrow и заменил его электромотором переменного тока мощностью 80 л.с. без каких бы то ни было традиционно известных внешних источников питания. Работал он за счет коробочки с габаритами 60×30 х 15 см с торчащими из нее парой стержней. Внутри было 12 радиоламп и горстка резисторов, собранных в до сих пор никому неизвестную схему. Автомобиль разгонялся до 150 км/ч, и ученый катался на нем в течение недели без какой-либо подзарядки. По словам Теслы, энергия бралась «из эфира вокруг всех нас». В теории автомобиль и дальше бы работал на дармовой энергии из эфира, да ученого вывели из себя скептики. Он снял источник питания, разобрал его и унес тайну с собой в могилу.
В 2015 году ученые из Вашингтонского университета выяснили, что электричество можно передавать посредством технологии Wi-Fi.
Наиболее эффективным для передачи энергии на большие расстояния сегодня является микроволновое излучение (КПД до 95%), но размеры приемника и передатчика огромны. Например, для передачи энергии в космос на станцию диаметр передатчика должен составлять минимум 1 км, приемника — 10 км.

Коммерческий царь аккумуляторных технологий

Как видите, сегодня коммерческий царь аккумуляторных технологий — это Li-ion и Samsung использует его возможности на полную катушку. Так, стоит упомянуть разработанную компанией технологию создания Li-ion аккумуляторов произвольной формы. Она позволяет максимально эффективно использовать внутреннее пространство устройства для размещения там батареи. Свое применение технология нашла в фирменных смарт-часах.

Дальнейшим развитием данной темы можно назвать так называемые «ленточные» аккумуляторы Samsung («Stripe» и «Band»). Они гибкие (легко выдерживают до 50 тыс. изгибаний) и могут быть встроены в ремешок смарт-часов или в спортивный браслет. Потенциально, технология, примененная в Stripe-батареях, позволит увеличить емкость аккумуляторов в мобильных телефонах на 50%.

Что ж, вот мы и подошли к аккумуляторным технологиям будущего. Предлагаю поговорить о них более детально.

Аккумуляторы завтра

СМИ годами рассказывают о якобы «прорывах» в аккумуляторной области. Да что там говорить, если я сам прекрасно помню, как лет 5–6 назад писал о невероятных исследованиях в области наноматериалов и графена, позволяющих не меняя производство создавать поистине волшебные батареи, заряжающиеся за секунды и питающие электронику дни и даже недели напролет.

Но где результат? Он отсутствовал, так как крупные корпорации не были заинтересованы во вложении средств в альтернативные технологии. В коммерческом плане хватало того, что было.

Теперь же портативные устройства становятся все мощнее, эра ископаемого топлива подходит к концу и автомобили переводятся на электричество. Электрокары выгоднее и эффективнее своих бензиновых собратьев по всем фронтам, загвоздка лишь в источнике питания.

Вот вам и коммерческий интерес корпораций. Деньги потекли в аккумуляторную область рекой, исследования оказались подкреплены реальной производственной базой. Сегодня светлое электрическое будущее как никогда близко.

Тем не менее, самой перспективной технологией остается Li-ion. Далеко не весь потенциал использован и, что самое главное, внедрение новых разработок не требует кардинального изменения уже налаженного производства. А экспериментировать есть над чем: это материалы электродов и электролита.

Наиболее безопасная и перспективная технология

Особенно важен электролит, так как именно он является причиной возгорания батарей, слабым звеном температурного режима работы и усложняет конструкцию аккумуляторов. Таким образом, наиболее интересными являются разработки в области так называемых твердотельных батарей, в которых электролит твердый.

Проблема в данном случае в том, что в твердой среде химическая реакция происходит намного хуже, чем в жидкой. Проще говоря, применение твердотельного электролита ранее не позволяло добиться достаточной эффективности выработки электроэнергии. В основном с этим ученые и пытаются разобраться теми или иными способами.

В данной области сейчас работают несколько компаний и коллективов, обещая весьма интересные свойства будущим литий-ионным батареям.

Например, Samsung совместно со светлыми умами из Массачусетского технологического института решила поэкспериментировать с химическим составом твердого электролита. Ученые обратили внимание на литиево-ионные проводники со сверхвысокой проводимостью ионов, которые являются соединениями лития, германия, фосфора и серы. Удалось добиться интересных результатов.

Так, использование упомянутого электролита делает аккумулятор полностью безопасным, даже если пробить его оболочку (традиционные Li-ion батареи в таком случае могут загореться или даже взорваться). Кроме того, он намного более стабилен в химическом плане, что позволяет рассчитывать на сотни тысяч циклов заряда разряда без деградации. Это на порядки увеличенный срок службы батарей. Фактор стабильности обеспечивает и эффективную работу батареи при температурах до –29°С. Напоследок стоит упомянуть об увеличенной на 20–30% емкости батареи при тех же габаритах, что и модели с жидким электролитом.

Когда ждать? Коммерческий результат может быть достигнут в ближайшие пару-тройку лет.

В той же области работают и японские исследователи при поддержке Toyota. Они сделали упор на кристаллическую структуру твердотельного проводника. В нем ионы лития располагаются рядами, а электроны получают возможность свободно двигаться между «решетками» кристалла.

Фишка этой разработки в том, что батареи на базе кристаллического электролита могут эффективно функционировать при температурах от -30°С до +100°С. Кроме того, повышенная плотность проводника обеспечит и увеличенную емкость. Также упоминается возможность полной зарядки за минуты. А вот касательно циклов заряда разряда, то их количество не превышает таковое у существующих решений (в пределах 1000).

Наиболее близка к коммерческой реализации твердотельных аккумуляторов разработка компании Sakti3. Их доведением до ума и внедрением массового производства сейчас занимается Dyson, которая обещает коммерческий результат уже через пару лет.

Деталей мало, но известно, что данные батареи уже сейчас по емкости превосходят лучших коммерчески доступных Li-ion представителей вдвое, а к релизу могут достичь и троекратного превосходства. Проще говоря, iPhone на такой батарее проработает в три раза дольше без подзарядки, чем на текущем аккумуляторе.

Графеновые батареи

Именно об этом «будущем» особенно активно писали в СМИ 5–7 лет назад. Графен, нанотехнологии, космические перспективы! Сегодня технология оказалась очень востребована в автомобильной индустрии, так как позволяет наиболее эффективно заменить существующие батареи в электрокарах.

Дальше всех в данной области Graphenano. Ее батареи якобы могут заряжаться в 33 раза быстрее литий-ионных (полный заряд за минуты) и отдавать заряд тоже на порядок шустрее. Последний момент особенно важен для автомобилей, требующих большого количества энергии в минимальный срок для быстрого разгона.

Емкость батарей тоже впечатляет и составляет 1000 ватт-час/кг против 180 ватт-час/кг у современных конкурентов. Кудесники уже создали автомобильный аккумулятор, позволяющий электрокару проехать на одном заряде до 800 км. Коммерческие образцы обещают показать в этом году.

Натриево-ионные батареи

Объединение французских исследователей и исследовательских компаний RS2E разработало аккумулятор на основе почти обычной соли, она же хлорид натрия. По своей емкости он сопоставим с литий-ионными собратьями, но выдерживает 2000 и более циклов заряда-разряда без деградации (минимум, вдвое больше, чем у Li-ion). Производить такие батареи можно на уже доступном оборудовании.

Кроме того, над солевыми аккумуляторами работают и японские ученые, но их разработка намного сложнее. Как результат — в сем раз повышенная эффективность по всем фронтам в сравнении с Li-ion, но коммерческий продукт обещают не раньше, чем через 10 лет.

Алюминиево-графитовые батареи

Разработаны учеными Стэнфордского университета. Главные фишки — полный заряд за минуту, гибкость и поддержка большого количества циклов заряда-разряда (в разы превышает Li-ion). Минус лишь один — емкость вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, при минутной зарядке это не проблема. О перспективах производства пока сведений нет.

Воздушно-алюминиевые батареи подзаряжаемые водой

Одна порция воды заряжает такой аккумулятор на 14 дней, а ее теоретическая емкость составляет 8100 Ватт-час/кг, что в 40 раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.

Наиболее перспективная область применения — электромобили, но и для портативной электроники разработка Fuji Pigment вполне подходит. В устройстве используются химически стабильные, безопасные и недорогие материалы. Компания обещала показать первые коммерческие образцы еще в прошлом году, но воз и ныне там. Тем не менее, технология очень интересная и перспективная.

Глобальная аккумуляторная революция

Мы живем в интересное время, когда мир постепенно уходит от ископаемого топлива и начинает стремительными темпами развивать альтернативные источники энергии, в том числе и аккумуляторы. Самое главное, что теперь в этом заинтересованы не только ученые и разрозненные горстки энтузиастов, а и крупнейшие мировые компании.

Среди них Samsung, Tesla, Apple и Google. Очень серьезные корпорации с огромными финансовыми и людскими ресурсами. А там где есть деньги и мозги, там будут и открытия. Да не просто «сферические кони в вакууме» с неясными перспективами, а готовые коммерческие решения.

Может быть, мы в итоге увидим не улучшение существующих технологий, а совершенно новые решения? Ведь в свое время Никола Тесла уже показал примеры этих решений, продемонстрировал на своем электромобиле, что вокруг нас неиссякаемый источник энергии — только протяни руку. Что было бы, дострой он свою Башню Ворденклиф и еще десяток таких же по всему миру?

Но даже те маленькие технологические чудеса, что мы видим сегодня в современных гаджетах, вроде Galaxy S7, они впечатляют. Да аккумуляторные технологии пока сильно ограничены, но компании вроде Samsung стараются выжать из них максимум и действительно добиваются впечатляющих результатов.

Мы живем в интересное время, когда скорость развития технологий растет в геометрической прогрессии. И чудеса только начинаются…

В закладки