Нефть — не единственный источник энергии, природные источники которого стремительно уменьшаются. Для создания наиболее популярных литий-ионных аккумуляторов также используют элементы, которые ограничены в объёме добычи. Чтобы решить эту проблему, учёные начали разрабатывать новый тип элементов питания и уже добились первых успехов.
Чжэнью Ли и Чжижун Чжао-Каргер в лаборатории
Учёные Чжэнью Ли и Чжижун Чжао-Каргер из Технологического института Карлсруэ (Германия) разработали батареи на основе кальция — пятого по распространённости химического элемента земной коры. Кроме того, он безопасный, нетоксичный и недорогой. Как результат, использование этого материала вместо никеля, кобальта и лития заметно удешевляет производство аккумуляторов. Кроме того, из-за свойств кальция АКБ на его основе могут обладать более высокой плотностью энергии в сравнении с литиевыми аналогами и поддерживать быструю зарядку.
Единственной проблемой в разработке альтернативных элементов питания на основе кальция остаётся поиск подходящего электролита. Текущие прототипы работают только при температурах выше 75 °C и нередко запускают побочные реакции. Следовательно, для коммерческого использования это не подходит.
Немецким учёным всё же удалось получить потенциально успешный образец, который удерживает заряд при комнатной температуре. Для создания нужного электролита изобретатели использовали органические соли кальция. Однако исследователи отмечают, что до появления полноценных аккумуляторов на основе кальция потребуется ещё какое-то время.
За последние годы мы привыкли к стремительному темпу развития цифровой техники. Но если одни категории комплектующих (такие как микропроцессоры или модули памяти) действительно совершенствуются с поистине космической скоростью, то по ряду других направлений прогресс не столь заметен. К числу последних относятся перезаряжаемые источники питания. И это, безусловно, создает определенные проблемы, поскольку от характеристик этих компонентов зависят такие важные параметры, как продолжительность автономной работы, время восстановления заряда, а также размеры и вес конечного продукта.
Тонкости выбора источника питания
В настоящее время в портативных электронных устройствах применяются источники питания нескольких различных типов. Такое разнообразие не является капризом разработчиков, а имеет вполне логичное объяснение. Например, в случае мобильных устройств — таких как смартфоны, планшеты или ноутбуки — приоритетное значение имеет удельная энергоемкость (то есть количество запасаемой электроэнергии на единицу объема аккумуляторной батареи). Чем выше этот показатель, тем больше будет емкость батареи при тех же физических габаритах. Таким образом, установка батареи с более высокой удельной энергоемкостью позволит продлить время автономной работы мобильного устройства, не увеличивая его размеры — что крайне важно, учитывая нынешнюю моду на гаджеты в максимально тонких корпусах. Именно поэтому в современных смартфонах и планшетах применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые на данный момент лидируют в категории малогабаритных перезаряжаемых источников питания по удельной энергоемкости.
Однако при разработке беспроводных периферийных устройств приоритеты будут совершенно иными. Поскольку уровень энергопотребления беспроводных мышей и клавиатур по сравнению с теми же смартфонами невелик, то и острой необходимости в использовании источников питания с рекордно высокой энергоемкостью в этом случае нет. Кроме того, нет и жестких ограничений по массо-габаритным показателям. Таким образом, во многих случаях разработчики делают выбор в пользу пусть не самого компактного, но зато более легкого и/или менее дорогого источника питания.
Не случайно на протяжении уже многих лет наблюдается устойчивая тенденция к увеличению доли беспроводных периферийных устройств, рассчитанных на питание от стандартных батареек формата АА либо ААА. Наиболее очевидными преимуществами данного решения являются доступность и максимальная простота использования. Стандартные элементы питания можно купить практически в любом магазине. Кроме того, при полном разряде батарейки достаточно установить вместо нее новую, и можно сразу же продолжить работу. Не нужны дополнительные кабели, зарядные устройства и т.п. Как говорится, дешево и сердито.
Большинство ныне выпускаемых моделей беспроводных мышей рассчитаны на питание от стандартных батареек
С этих позиций использование аккумуляторных батарей в беспроводных периферийных устройствах выглядит менее удобным. Для подзарядки требуется определенное время (обычно 2-3 часа), и при этом конструкция далеко не всех моделей позволяет продолжать работу при подключении внешнего источника питания. Как следствие, пользователю необходимо следить за индикатором уровня заряда, чтобы беспроводная мышь или клавиатура не отключилось в самый неподходящий момент.
Еще одним фактором, ускорившим процесс перехода производителей беспроводной периферии на питание от батареек, стал значительный прогресс в области снижении уровня энергопотребления электронных компонентов, которого удалось достичь разработчикам в последние годы. Современные модели беспроводных мышей и клавиатур способны проработать на одном комплекте батареек как минимум несколько недель и даже месяцев. Таким образом, менять элементы питания даже при активном использовании приходится нечасто.
Естественно, имеет значение и цена. Установка весьма недешевых литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов неизбежно приводит к удорожанию устройства. А это крайне важно, когда речь идет о моделях стоимостью порядка 20-30 долл. Кроме того, аккумуляторные батареи упомянутых типов имеют ограниченный ресурс — обычно от 500 до 1000 циклов заряда-разряда. Таким образом, при интенсивном использовании именно ресурс аккумулятора становится критичным фактором, ограничивающим жизненный цикл устройства.
Итак, батарейки дешевы, доступны и удобны. Чем не идеальный вариант для беспроводной клавиатуры или мыши? Однако не будем забывать, что у батареек есть и свои недостатки: они заметно утяжеляют устройства (что может быть критично, если речь идет о беспроводной мыши) и к тому же их пусть и редко, но необходимо время от времени менять. Что же могут предложить разработчики в качестве альтернативного варианта?
Еще не забытое старое
Одним из наиболее перспективных вариантов являются суперконденсаторы или, как их правильнее называть, ионисторы (англоязычные авторы для обозначения этих элементов часто используют аббревиатуру EDLC, которая расшифровывается как Electric double-layer capacitor). Первые образцы суперконденсаторов были созданы более 50 лет тому назад. В настоящее время они применяются в ряде электроприборов (в частности, в карманных фонариках, фотовспышках и пр.) в качестве основных и резервных источников питания. Кроме того, благодаря своим свойствам суперконденсаторы являются идеальным накопителем электроэнергии для систем рекуперации кинетической энергии, которыми оснащаются многие выпускаемые сейчас транспортные средства с электрическими и гибридными силовыми установками.
Внешне ионистор похож на электролитичекий конденсатор, однако при тех же размерах имеет значительно большую емкость (у образца, представленного на этой фотографии, она составляет 3000 фарад)
Важнейшими достоинствами суперконденсаторов в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами являются высокая скорость заряда, эффективность и огромный ресурс.
Суперконденсаторы способны запасать большое количество энергии в течение короткого промежутка времени, что позволяет сократить время подзарядки до минимума. Кроме того, ионисторы характеризуются высокой эффективностью. Если современные литий-ионные аккумуляторы способны отдать лишь порядка 60% электроэнергии, затраченной на их зарядку, то у суперконденсаторов этот показатель превышает 90%.
Еще одно важное преимущество — огромный ресурс. У литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов существенная деградация (снижение емкости относительно первоначального значения) наблюдается уже после нескольких сотен циклов заряда-разряда. А суперконденсаторы способны выдержать без заметной деградации порядка нескольких десятков тысяч циклов.
Образцы суперконденсаторов различной емкости
В числе прочих преимуществ можно отметить малый удельный вес и экологичность. Благодаря низкой токсичности материалов, из которых изготавливаются ионисторы, их гораздо проще и безопаснее утилизировать, чем литиевые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и свинцово-кислотные аккумуляторы.
Возможно, здесь у читателей возникнет вполне закономерный вопрос: если уже более полувека известны такие замечательные источники питания, то почему они до сих пор не получили широкого распространения в цифровых устройствах? Дело в том, что наряду с перечисленными выше достоинствами у суперконденсаторов имеются и свои недостатки. Наиболее существенные из них — это довольно низкая удельная энергоемкость, нелинейная кривая разряда, а также большой ток саморазряда.
Показатель удельной плотности запасаемой энергии у современных суперконденсаторов составляет от 7 до 9 Вт•ч на литр объема. Для сравнения: у ныне выпускаемых литий-ионных аккумуляторов этот показатель варьируется в пределах 250-400 Вт•ч на литр.
Из-за большого тока саморазряда ионисторы не подходят для долговременного хранения электроэнергии. Кроме того, кривая разряда суперконденсаторов нелинейна: напряжение на выходе зависит от оставшегося заряда.
В силу вышеизложенных причин выпускаемые в настоящее время ионисторы непригодны для использования в мобильных устройствах, где первоочередное значение имеет соотношение размеров и энерогоемкости батареи. Однако для беспроводных периферийных устройств суперконденсаторы являются весьма интересной альтернативой одноразовым батарейкам.
В этом случае пригодятся такие свойства ионисторов, как высокая скорость заряда и высокая эффективность. Владельцу беспроводной мыши или клавиатуры не придется ждать 2-3 ч, как в случае устройств с литиевыми аккумуляторами: для восстановления заряда хватит всего нескольких минут. За это время можно накопить запас энергии, которой хватит на несколько часов активной работы, а при не очень интенсивном использовании — даже на целый день. Например, полный цикл заряда оборудованной встроенным суперконденсатором беспроводной мыши Genius DX-ECO, которую мы тестировали пару лет тому назад, составляет всего 5 минут, а накопленной за это время электроэнергии хватает на 4 ч работы.
Источником питания беспроводной мыши Genius DX-ECO служит встроенный суперконденсатор
Конечно, подзаряжать беспроводное устройство, оснащенное ионистором, придется ежедневно (а возможно, даже чаще). Однако, как уже было упомянуто, данная процедура займет всего несколько минут — как раз хватит времени выпить чашечку кофе или просто немного отвлечься от компьютера. А поскольку суперконденсаторы обладают огромным ресурсом, то даже при условии нескольких ежедневных подзарядок срок службы устройства составит не менее десяти лет.
Важным преимуществом суперконденсаторов в сравнении с литиевыми аккумуляторами и обычными батарейками является заметно меньший вес. А это значит, что та же беспроводная мышь, оборудованная ионистором, будет лишь немногим тяжелее проводного аналога.
Перспективы
Итак, суперконденсаторы обладают высокой скоростью заряда и энергоэффективностью, а также огромным ресурсом. Благодаря низкой токсичности материалов их гораздо проще и дешевле утилизировать, чем литиевые аккумуляторы. Такое сочетание свойств делает суперконденсаторы весьма перспективным вариантом для использования в качестве перезаряжаемых источников автономного питания беспроводных периферийных устройств. А что касается необходимости часто подключать кабель для подзарядки, то эту проблему нетрудно решить, применив беспроводное зарядное устройство — тем более, что подобные решения сейчас уже начинают появляться на массовом рынке.
Благодаря внедрению новых материалов в будущем станет возможным создание суперконденсаторов с гораздо более высокой (по сравнению с ныне выпускаемыми) удельной плотностью запасаемой энергии. Большие надежды специалисты возлагают на разработку графеновых суперконденсаторов. Использование этого инновационного материала позволит уже в ближайшее время создать образцы с удельной плотностью запасаемой энергии порядка 60 Вт•ч на литр. Конечно, это значительно меньше по сравнению с современными литий-ионными и литий-полимерными аккумуляторами, но уже вполне сопоставимо с характеристиками свинцово-кислотных батарей. И можно не сомневаться в том, что развертывание серийного выпуска графеновых суперконденсаторов позволит значительно расширить сферу применения этих источников питания. Ими можно будет оснащать не только беспроводные манипуляторы и клавиатуры, но и портативные акустические системы, а также источники бесперебойного питания небольшой мощности.
В настоящее время самыми популярными аккумуляторами для мобильных устройств остаются литий-ионные. При всех своих преимуществах они имеют много недостатков, таких как уменьшение ёмкости со временем (старение), проявление так называемого эффекта памяти при неправильной эксплуатации, риск воспламенения при нарушении производственного процесса или условий использования. Большая цена, которая особенно чувствуется при необходимости создания ёмкой батареи для электромобиля, также относится к минусам. И хотя многие исследователи неоднократно предпринимали попытки улучшения этих аккумуляторов, всё же назрела необходимость создания принципиально новой технологии. На днях в Сети быстро распространилась информация о молодом стартапе Power Japan Plus, который занимается разработкой аккумуляторов нового типа.
Батареи, предлагаемые японскими изобретателями, будут более ёмкими, безопасными и дешевыми по сравнению с традиционными литиево-ионными аккумуляторами. Кроме того, процесс их зарядки также будет ощутимо более коротким. Компания, которой исполнился всего год, использует углеродный материал для анода и катода и надеется запустить производство новинки уже в текущем году. Издание The Atlantic утверждает, что первая партия объёмом порядка 500-5000 батарей будет выпущена на пилотной линии в Окинаве уже летом.
Традиционный литий-ионный аккумулятор наряду с карбоновым стержнем включает также окись лития. Между анодом и катодом располагается электролит. В литиево-ионной батарее во время разряда ионы лития покидают углерод, также как и электроны. При этом окись металла получает дополнительные ионы и электроны. Во время зарядки к батарее прилагается более высокое напряжение, чем производимое аккумулятором, что заставляет ионы пройти в обратном направлении. Ионы лития мигрируют от катода к аноду. По сути электроны и ионы лития постоянно отделяются от карбонового стержня и возвращаются обратно.
Использование углерода одновременно для анода и катода делает новую батарею безопасной, так как позволяет избавиться от легко воспламеняемой окиси лития. Особенно таких воспламенений боятся производители электромобилей. Полностью углеродный аккумулятор деградирует намного медленнее литий-ионного, утверждают разработчики. Если традиционный аккумулятор имеет жизненный цикл два года, на протяжении которого он выдерживает около 500 циклов зарядки/разрядки, то изобретение Power Japan Plus поддерживает до трёх тысяч таких циклов. Благодаря особенностям химических реакций в такой батарее, длительность её зарядки можно сократить в 20 раз. Отказ от окиси лития ведёт также к удешевлению батареи. С точки зрения экологии, полностью углеродный аккумулятор также предпочтительнее литий-ионного и намного легче утилизируется.
На самом деле идея полностью углеродного аккумулятора не нова и разрабатывается японцами с 70-х годов прошлого столетия. Около 6-7 лет тому назад ученые Университета Куйсю (Kyushu University) начали работу над нанотехнологией и совершенствованием углеродного материала, что позволило повысить ёмкость таких батарей. Power Japan Plus, по сути, занимается коммерциализацией достижений упомянутого выше университета, хотя и работает над дальнейшим улучшением свойств углеродного материала (свою разработку она называет Carbon Complex). Интересно, что разработку катода доверили уважаемому эксперту в этой области Канаме Такее (Kaname Takeya), который является создателем катодов для Toyota Prius и Tesla Model S.
На сегодняшний день стартап включает всего восемь человек. Одной из главных задач является поиск источников финансирования для налаживания массового производства. Многие стартапы, предлагавшие новые аккумуляторные технологии, испытывали значительные трудности в поисках инвесторов, из-за чего их деятельность затухала. Дело в том, что для масштабирования производства батарей требуется много времени и огромные вложения. Но Power Japan Plus утверждает, что её батареи могут выпускаться на уже существующем оборудовании, поэтому ей требуется меньше денежных средств для старта. Первые модели будут нацелены на медицинское оборудование и спутниковую отрасль, где ключевым требованием является безопасность. Позже Power Japan Plus планирует охватить рынок аккумуляторов для электромобилей. И только после успеха в этих отраслях мы можем надеяться на появление полностью углеродных батарей в наших любимых гаджетах. Так что ждать ещё осталось долго.