Когда наступит революция в аккумуляторах?

С выходом каждого нового поколения iPhone мы видим, как улучшаются процессоры, память, дисплеи, камеры и почти все остальные компоненты. Почему мы не видим каких-то значительных улучшений в аккумуляторах? По сравнению с тем, как стремительно развиваются все остальные компоненты смартфона, кажется, что батареи стоят на месте.

Давайте для начала определимся, что не так с существующими литий-ионными батареями, и выясним, в чём их основные недостатки.

Недостатки литий-ионных батарей

Недолговечность

Думаю, каждый из вас замечал, что спустя год использования смартфона батарея теряет ёмкость на 10–15 %. 800–1000 циклов — это предел для большинства аккумуляторов в смартфонах, за этим пределом использование гаджета уже становится непрактичным.

Чувствительность к температуре

Большинство литиевых аккумуляторов плохо переносит перепады температур. Работа при слишком низких или слишком высоких температурах ведёт к деградации аккумулятора. Вспомните, как раньше iPhone вырубался на сильном холоде. На морозе химические компоненты теряют свои свойства и не могут производить достаточного напряжения — в итоге телефон выключается. Максимальный ущерб батареи наносится во время зарядки на морозе.

Высокие температуры также негативно влияют на компоненты батарей. Необязательно использовать телефон в сауне или в жарких странах. Наши девайсы сильно нагреваются, когда мы нагружаем их тяжёлыми задачами. Игры, работа с фото или видео, навигация — всё это заставляет процессор и другие компоненты работать интенсивней и выделять больше тепла. Если подвергать смартфон интенсивной нагрузке и при этом заряжать его, мы неминуемо получим избыточный нагрев.

Чувствительность к интенсивному заряду или разряду

Быстрая зарядка ведёт к излишнему выделению тепла, а высокая температура вредит компонентам батареи. Кроме того, быстрая зарядка может приводить к образованию дендритов на аноде. Дендриты — это такие волокна из металлического лития. Эти образования могут стать причиной замыкания и выхода из строя батареи.

Безусловно, это крайне экстремальный случай и производители стараются его не допустить. Для этого разрабатывают различные протоколы защиты от перегрева и замыкания. Но образование дендритов всё равно негативно влияет на ресурс батарей.

Интенсивный разряд также сопровождается выделением излишнего тепла. К тому же тепло выделяют и другие компоненты: процессор, экран и радиомодули. Всё это ведёт к перегреву батареи и её деградации.

Высокая цена

Литиевые аккумуляторы довольно дороги в производстве — по сравнению с другими типами аккумуляторов, конечно. Дело в том, что сам по себе литий — это редкоземельный металл, и стоит он недёшево. Производство литиевых аккумуляторов негативно сказывается на окружающей среде. А сами аккумуляторы способны сильно отравлять почву, поэтому их обязательно нужно перерабатывать.

Небезопасность

Литий — очень активный металл, и батареи на его основе могут очень ярко и звонко воспламеняться. Один из самых красноречивых примеров — Samsung Galaxy Note 7. Неправильно спроектированная батарея и ряд неудачных совпадений могут натворить беды.

Получается так, что литиевые аккумуляторы довольно дорогие, с прихотливыми и нежными компонентами, да ещё и загрязняют окружающую среду. И тут у вас должен созреть вопрос: если литиевые батареи настолько плохи, почему мы всё ещё ими пользуемся? Где новые изобретения, революционные наноматериалы? Мы же в XXI веке живём!

Одним из таких революционных материалов является графен.

 

Что такое графен?

По сути, графен — это углерод, а углерод невероятно распространённый элемент на Земле. Графит, алмаз, сажа, графен — всё это углерод, а точнее, его аллотропные формы. Химическая формула у них идентична — «С», но то, как атомы углерода соединены друг с другом, и определяет свойства материала. Алмаз невероятно твёрдый, графит из грифеля карандаша легко можно сломать. Всё потому, что одни и те же атомы в графите и алмазе расположены по-разному.

Атомы в графене также расположены в пространстве особым образом. Во-первых, они выстроены толщиной в один атом. Во-вторых, атомы образуют шестиугольник, похожий на пчелиную соту:

Такая структура наделяет графен просто невероятными свойствами.
Графен — отличный проводник как электронов, так и тепла. Графен прочнее стали в 200 раз, при этом он невероятно гибкий, эластичный и почти прозрачный.

Из-за таких свойств графен получил огромную популярность в среде учёных: ему за пару лет придумали сотни сомнительных применений. В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помёт, чтобы проверить, как это отразится на его качествах.

Благодаря такому хайпу вокруг графена, на рынке появились графеновые куртки, платья, теннисные ракетки, машинное масло с графеном и ещё куча всякого бесполезного барахла, которое зачастую графена в своём составе не имело, а в лучшем случае графена добавляли сотые доли процента.

Дело в том, что чистый графен — чрезвычайно дорогой материал:

• Один грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд;
• Один грамм графена, смешанного с пылью, стоит около $1000.

Может ли графен решить проблемы батарей?

До сих пор человечество не знает коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах. Высокая цена и трудности производства больших количеств графена — это одна из причин, почему мы не видим графеновых аккумуляторов в наших смартфонах. Но это не единственная причина. Использование графена в качестве катода или анода в батареях — не лучшая идея.

Именно поэтому графен не самый подходящий материал для долгосрочного хранения энергии.

В литиевых аккумуляторах заряд запасается за счёт того, что ионы лития проникают внутрь графитового анода и там прочно держатся. Этот процесс называется интеркаляцией. Литиевые аккумуляторы практически не подвержены саморазряду. Вы можете зарядить ваш Power Bank и через 2 месяца им воспользоваться.

Если мы возьмём батарею и вместо графита для изготовления анода применим графен, то ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности. В таком случае ионы будут держаться за анод очень слабо, со временем ионы могут самопроизвольно покидать графен. В итоге мы получим саморазряд батарей.

Вариант, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий оторвать много ионов и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Поэтому применение графена выглядит куда логичнее именно в суперконденсаторах, а вот для обычных аккумуляторов графен не особо подходит.

Но ведь графеновые аккумуляторы уже давно продаются

Мы регулярно слышим, что тот или иной стартап уже запустил в продажу графеновые Power Bank. Периодически проскакивают новости о том, что гиганты вроде Samsung уже буквально завтра начнут ставить в свои смартфоны графеновые батареи. На самом деле это очередная маркетинговая уловка. В таких батареях графен применяется как добавка для улучшения тех или иных характеристик литиевых батарей.

Например, если мы добавим графен в электроды, то повысим их проводимость. По сути, это останется всё такой же литиевый аккумулятор, характеристики которого улучшены графеном на 5–10 %. Подобных продуктов уже полно на рынке. Одним из первых смартфонов на моей памяти с применением графена в батарее был Honor Magic. Но какими-то выдающимися характеристиками его батарея не запомнилась.

Не так давно Наташа уже делала видео про Power Bank с графеном:

По сути, графеновые Power Bank отличаются от обычных только быстрой зарядкой. По большому счёту эти «банки» всё так же греются при зарядке и имеют заурядную ёмкость.

Чисто графеновые батареи на данном этапе развития технологий — это, скорее, маркетинг на хайповой теме. А вот литиевые гибриды, в которых графен используется как вспомогательный компонент, давно применяются. Samsung, Xiaomi, OPPO, OnePlus, Huawei и другие бренды вовсю добавляют графен в свои батареи.

Не революция, а эволюция

Если посмотреть на литиевые аккумуляторы под другим углом, то окажется, что они вовсе не стоят на месте, а постоянно развиваются — просто это развитие не скачкообразное, а очень плавное и постепенное. И самое главное: технология литиевых аккумуляторов ещё не достигла своего предела, и, возможно, графен поможет раскрыть потенциал литиевых аккумуляторов на 100 %.

Ёмкость аккумуляторов

Нам кажется, что увеличения ёмкости литиевых аккумуляторов нет, но это не так. Первые из них могли запасать порядка 100 Вт·ч/кг, спустя 20 лет постепенного развития эта величина удвоилась. На данный момент литиевые аккумуляторы могут запасать 200–240 Вт·ч/кг. По мнению учёных, им удастся увеличить энергоёмкость до 400 Вт·ч/кг. И, вполне возможно, именно графен поможет приблизить этот показатель к реальности.

Скорость зарядки

Это ещё один важный параметр, который уже сейчас улучшают за счёт графена. Так как графен имеет низкое сопротивление и прекрасно проводит ток, компоненты с добавлением графена меньше греются. Кроме того, графен столь же хорошо проводит и тепло, благодаря этому нагрев компонентов батареи лучше рассеивается.

В последние годы мы видим, как стремительно развиваются технологии быстрой зарядки. Не так давно гремели презентации технологий быстрых зарядок мощностью 120 Вт. И вот совсем недавно Xiaomi показала зарядку мощностью 200 Вт, которая наполняет батарею Mi 11 Pro ёмкостью 4000 мАч за восемь минут. Скорее всего, в батарее этого Mi 11 Pro не обошлось без добавления графена, но Xiaomi об этом умалчивает.

Чувствительность к температуре

Что пока не удалось значительно улучшить, так это чувствительность батарей к перепадам температуры и количество циклов заряда-разряда. В этих вопросах пока даже графен животворящий особо помочь не может. Точнее, графен помогает частично нивелировать негативное воздействие перегрева, а вот с низкими температурами бороться у него не выходит.

Продление срока службы

Что касается увеличения количества циклов заряда-разряда, то тут в помощь приходит другой компонент — кремний. Он позволяет увеличить ресурс литиевых батарей до 300 %, но побочный эффект кремния — увеличение размеров аккумуляторов. В итоге батареи с кремнием либо будут иметь такую же ёмкость, как и сейчас, но при этом будут физически в несколько раз больше, либо мы можем сделать компактную и долгоживущую батарею, которая будет иметь маленькую ёмкость.

Итог

Если подытожить, то можно сказать, что аккумуляторные технологии не стоят на месте, да и резких скачков не происходит. Но постепенный и очень уверенный прогресс всё же идёт. Не стоит ожидать от графена каких-то магических свойств. Графен не приведёт к революционному скачку в развитии батарей и уж точно не заменит технологию литиевых аккумуляторов, а только дополнит её. Думаю, не зря Илон Маск делает ставку именно на литиевые батарейки. Tesla не просто так вкладывает огромные средства в развитие именно литиевых аккумуляторов.

Что ж, нам остаётся только запастись терпением и ждать, когда технологии станут более совершенными и батареи окончательно избавятся от своих последних слабых мест!