Какой аккумулятор лучше для смартфона, его виды и перспективы суперконденсаторов

Современные смартфоны – чудо инженерных компромиссов. Клиенты хотят блестящие металлические устройства с хорошим сигналом и скоростью передачи данных, с высоким разрешением дисплея, высоким качеством камер, а также чтобы хватало места для мощных чипсетов, памяти и датчиков, на десерт. Неплохо еще иметь стабильное программное обеспечение с множеством программных возможностей. Клиенты ожидают все это в тонком и легком форм-факторе, батарея которого даст, как минимум, день автономности.

Одной из главных проблем является то, что инженеры пока не могут уменьшить батарею в, и без того, достаточно тонком корпусе, и дизайнерам часто нужно идти на компромис из-за нее. Аккумуляторы безусловно продвинулись в течении последних лет, но основная технология, которая используется в смартфонах уже долгое время – это литий-ионны (Li-ion).

Литий — это самый легкий из всех металлов, и имеет самый большой электрохимический потенциал, обеспечивая самую большую плотность энергии. Батареи в смартфонах и прочей электронике используют литиевые металлические электроды.

Li-ion батареи не любят низких температур, у них может произойти утечка электролита, такие батареи нельзя держать долгое время разряженными, они подвержены старению независимо от использования. Но, несмотря на все недостатки, данный тип питания для смартфонов является сейчас основным.

Такие батареи имеют два основных форм-фактора: цилиндрические (как в powerbank или в стационарных телефонах) и призматические (те, которые мы видим в современных смартфонах).

%d1%86%d0%b8%d0%bb%d0%b8%d0%bd%d0%b4%d1%80%d0%b8%d1%87%d0%b5%d1%81%d0%ba%d0%b8%d0%b5-%d0%bb%d0%b8%d1%82%d0%b8%d0%b9-%d0%b8%d0%be%d0%bd%d0%bd%d1%8b%d0%b9-%d0%b0%d0%ba%d0%ba%d1%83%d0%bc%d1%83%d0%bb

Цилиндрические литий-ионный аккумулятор

electrochemical-1

Призматический литий-ионный аккумулятор

Современная литий-ионная батарея близка к своему пределу плотности, и занимать меньше места в смартфоне без падения КПД – уже не может.

Существуют также литий-полимерные батареи которые могут быть толщиной до 1 мм. В отличии от ионов лития в батарее используется полимер, который представляет собой тонкую пластиковую пленку пропитанную электролитами. Эта пленка предотвращает проводимость тока, но в тоже время допускает обмен ионами, тоесть выступает в роли сепаратора. Основным минусом полимерных батарей является небезопасность. При заряде батарея больше нагревается из-за худшей проводимости в сравнении с литий-ионными аккумуляторами (до 60 градусов и более), вследствие чего, шанс воспламенения выше.

С открытием ультратонкого и легкого графена, недавно стало известно, что компания Huawei разрабатывает батареи для своих смартфонов с применением этого материала.

Помимо основных аккумуляторов для смартфонов, описанных выше (литий-ионных и литий-полимерных), существуют такие разновидности, отличающихся материалами и химическим составом:

  • Литий-железо-фосфатный аккумулятор. Такое химическое сочетание позволяет очень быстро заряжаться аккумулятору. Представленный институтом технологий MIT экземпляр полностью зарядился всего за 1 минуту. Но на данный момент существуют на рынке только большие аккумуляторы по данной технологии. Быстрозаряжаемые варианты используются в авиамоделировании и прочих отраслях, где не требуюется от источника энергии большой вместимости заряда (мАч). Более крупные экземпляры литий-железо-фосфатных батарей используются в электроскутерах.

lifepo4-article-elektra05

  • Никель-металл-гидридный аккумулятор. Использовались раньше в телефонах. Из недостатков имели большой размер и эффект памяти (новые аккумуляторы приходилось полностью заряжать и разряжать несколько раз, чтобы можно было использовать всю емкость).

ni_cd_or_ni_mh_rechargeable_battery

  • Никель-кадмиевый аккумулятор. Не получил широкого распространения из-за токсичности кадмия, маленькой энергоемкости и дороговизны. Подобную технологию батарей можно встретить в шуруповертах.

220px-nicd_various

  • Нанопроводниковый аккумулятор. Открыт в 2007 году, о коммерческих экземплярах неизвестно.

Можно подытожить, что на данный момент лучшими для смартфонов являются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы.

Достигнув предела плотности батарей в смартфонах, производители начали внедрять технологии быстрой зарядки. Также сейчас обсуждается несколько новых технологий, которые могли бы заменить литий-ионные аккумуляторы. Есть экземпляры с биохимическим составом, но не менее интересными являются конденсаторы.

Суперконденсаторы как технология аккумуляторов в смартфонах

Конденсаторы, по своей сути, похожи на батареи в некоторых отношениях: это устройства, которое могут хранить и передавать электрический заряд. Тем не менее, существуют некоторые значительные различия. Одним из них является то, что конденсатор может очень быстро заряжаться и разряжаться, поэтому они прекрасно подходят для предотвращения коротких всплесков энергии, в то время как смартфонам столько тока в такой короткий промежуток времени не нужно. И, к сожалению, конденсаторы с необходимой емкостью значительно больше, чем батареи… намного больше.

Тем не менее, развитие конденсаторов не стоит на месте и несколько компаний и научно-исследовательских учреждений уделяют время на улучшение базовой технологии, работая над суперконденсаторами. Это новое поколение имеет в сотни раз выше плотность энергии, но, конечно, это все еще означает значительно большие размеры. И чтобы на данный момент иметь такой источник энергии в смартфоне, потребуется носить в комплекте с гаджетом портфель. Но развитие не стоит на месте и суперконденсаторы сохраняют способность очень быстро заряжаться, и можно себе представить, что со временем можно заряжать смартфоны за несколько секунд и использовать его потом несколько дней.

Более того, суперконденсатор имеет более продолжительный жизненный цикл и способен заряжаться до 30000 раз, по сравнению с литиево-ионных элементами, которые сохраняют только 80% своей первоначальной емкости после 500 циклов заряда. Если технология конденсаторов будет развиваться, то срок годности такого источника в смартфоне будет равен около 20 годам, и все это без ущерба окружающей среде.

Технология требует дополнительных инвестиций в научные исследования и разработки. Одной из организаций, которая проводит исследования, является Университет Центральной Флориды, где команда использует наноматериалы (проводники во много раз тоньше человеческого волоса) для хранения и переноса заряда. Сотрудник Нитин Чудхари (Nitin Choudhary) объяснил: «Если суперконденсаторы заменят батареи, то вы сможете зарядить свой смартфон в течение нескольких секунд, и вам не нужно будет его заряжать в течении недели».

Подобная технология была разработана университетом Райс в Хьюстоне. они создали что-то среднее между аккумулятором и конденсатором, внутри которого используются нановолокна на которых быстро накапливается и задерживается электрический заряд.

20110826_2_2

Одной из проблем является то, что технология все еще новая и, следовательно, очень дорогая. Скорее всего пройдет десятилетие прежде, чем мы увидим эту технологию в смартфонах.

Другая проблема заключается в том, что суперконденсаторы подают чрезвычайно высокую величину тока в течение короткого времени, и если что-то пойдет не так, это приведет к очень опасной ситуации, когда смартфон начнет сбрасывать весь свой заряд в течении нескольких секунд.

Третья проблема –  для того, чтобы заряжать такой конденсатор потребуется сверхмощное и, опять таки, относительно компактное зарядное устройство.

Тем не менее, суперконденсаторы представляют собой довольно перспективную технологию. Мы уже видим ее в электрических транспортных средствах. Возможно, наши смартфоны в середине 2020-х годов будут иметь суперконденсаторы.

42bdb5c35223af3f5528a056d3c5506e_medium

Автомобильный суперконденсатор