Современные смартфоны умеют воспроизводить ролики из сети, запускать игры, почти не уступающие десктопным версиям и при этом умещаться в карман. Но при таких возможностях, почему же смартфон работает от одного заряда максимум день-два? Почему неделю или 

Как было раньше

Вспомним кнопочные телефоны. Те самые, с которых люди звонили и гоняли в «Змейку». По габаритам и ёмкости их аккумуляторы были намного меньше установленных в смартфонах сейчас, но при этом «звонилки» жили неделю, а то и больше!

Для сравнения, один из легендарных телефонов, Nokia 6233, вытягивала от 3 до 5 дней, но при этом батарея всего на 1100 мАч. Это, кстати, для того времени было прям неплохо по объёму.

Легендарный Nokia 3310 из 2000 года работал на одноядерном процессоре с частотой 100 МГц, а число пикселей в дисплее достигало 4000. Samsung Galaxy S10+, для сравнения, оснащён восьмиядерным процессором с максимальной частотой 2,84 ГГц и графической системой Adreno 640. Количество пикселей в дисплее — 4 377 600, почти в 1100 раз больше.

Что говорят учёные?

Венкат Сринивасан, директор Аргоннского центра по науке о накоплении энергии и эксперт в области аккумуляторных технологий, рассказал, что плотность литий-ионных батарей не увеличивается по закону Мура, как это делали до недавнего времени современные процессоры.

Для тех, кто не знает о законе Мура: он гласит, что количество транзисторов, которые могут быть размещены на кристалле интегральной схемы, увеличивается в два раза каждые 18-24 месяцев, а стоимость вычислительной мощности снижается.

С начала 90-х по 2015 год число транзисторов на квадратный миллиметр возросло с 10 000 до 10 000 000 единиц, то есть в тысячу раз. А вот возможная плотность энергии литий-ионных аккумуляторов увеличилась всего с 0,2 до 0,55 милливатт-час на квадратный сантиметр.

То есть технологии и в области аккумуляторов не стоят на месте, просто не поспевают за разработками в области процессоров. Плотность энергии увеличивалась за счёт сокращения внутренних компонентов, но теперь мы достигли стадии, когда новые изменения произойдут только при смене материалов аккумуляторов, считает Сринивасан. Уменьшать содержимое батарей и далее уже опасно — Samsung попытались это сделать, получился «взрывной» Galaxy Note 7. Телефон, конечно, просто бомба получился. Но что-то пошло не так. 

Что используют сейчас?

Сейчас в смартфонах и другой портативной технике, а также электрическом транспорте, используются литий-ионные аккумуляторы. Они применяются в коммерческих продуктах уже почти 30 лет.

Даже в суперсовременных машинах Tesla использует тот же тип аккумуляторов, весь батарейный блок, весящий полтонны, состоит из 7000 батареек Panasonic, если мы говорим про Model S. И по сути, это почти обычные пальчиковые батарейки. Да, там есть некоторые особенности и изменения, но в целом – факт забавный. Всё это даёт 85 кВт/ч мощности. 7000 батарей на 3300 мАч каждая. Понятно, что вольтаж и ампертраж не такой же как в смартфонах.

Какие варианты на будущее?

Обычные литий-ионные батареи представляют собой катод из алюминия и анода из графита. Между ними — сепаратор, который удерживает два электрода друг от друга для предотвращения короткого замыкания. А ещё электролит, который позволяет ионам лития перемещаться, но который с свою очередь и виновен в постепенной деградации аккумуляторов.

Твердотельные аккумуляторы

В твердотельных аккумуляторах вместо жидкого электролита используется керамика или стекло. Такая конструкция позволяет увеличить плотность энергии до 2,5 раз и расширить рабочий температурный диапазон.

В эту технологию уже сейчас вкладываются крупные компании: например, Samsung и Hyndai инвестировали в 2017 в компанию Solid Power 20 млн долларов.

Одна проблема: к тому моменту, пока люди освоят новые технологии в производстве аккумуляторов, смартфоны успеют стать ещё мощнее и требовать ещё больше энергии. Прогресс всегда имеет свою цену!

Аккумуляторы на основе кремния 

Аккумуляторы на основе кремния вместо графита выбран по той причине, что атом кремния способен захватывать до четырёх ионов лития. Вот только опыты успехом не увенчались и аккумулятор с такой технологией «умирал» после двух циклов перезарядки.

Но здесь стоит учитывать, что американская компания Sila Nanotechnologies, которую основали выходцы из Tesla и где участие приняли в том числе и наши соотечественники, всё-таки смогли создать годный к использованию полимер. Поэтому, если производство графитовых аккумулятор будет стоить не очень дорого, уже в следующем году можем увидеть рабочие коммерческие модели. Что это даёт? Износостойкость, а также увеличение энергоёмкости на 20% при тех же размерах.

Батареи на основе углерода

Такие аккумуляторы должны заряжаться так же быстро, как суперконденсаторы, а заряд сохранять так же долго, как литий-ионные аккумуляторы. Одна проблема – очень большая потеря энергии и совершенно иной метод зарядки.

При использовании подобного решения придётся изменить и зарядные устройства. Чтобы блок питания накапливал и отдавал энергию.

Из плюсов подобного решения можно выделить очень большой срок службы — около 30 лет, а вы сами понимаете, что это невыгодно производителям. И второе — быстрая зарядка. Условный смартфон можно будет зарядить полностью за одну-две минуты, но хватать заряда будет на половину дня, максимум – на весь день.

Занимается этим всем компания ZapGo, которая обещает к 2022-му году решить главную проблему — недостаточную мощность своих аккумуляторов для смартфонов.

Ядерный аккумулятор

Уже сейчас атомную батарею можно купить на китайских площадках, а разработками занимаются как в США, так и у нас, в России.

Такие батареи уже есть, они обеспечивают заряд на протяжении нескольких сотен или даже тысяч лет, но главной особенностью остаётся сильное излучение и непроверенные факторы влияния на здоровье человека.

Специалисты из Университета Бристоля разработали прототип ядерного аккумулятора, который способен снабжать энергией не слишком мощные устройства около тысячи лет. При этом, по их же сообщениям, выброс радиации и вредных веществ нулевой.

Внутри такого ядерного аккумулятора стоит искусственный бриллиант. Он генерирует электрический ток малой силы при помещении в радиоактивное поле. И на половину способен разрядится за 5730 лет.

Какая главная проблема? При малом размере такая батарейка будет выдавать слишком слабый ток, ну и нехило так шарахнет, если бросить её в костёр. Именно поэтому в ближайшем будущем подобные аккумуляторы использовать никто не будет.

Что остаётся?

Увеличения автономности в ближайшие годы ждать однозначно не стоит, он скорее всего привесит два-три дня использования, но в рамках прогресса на фоне вычислительных мощностей — это ни о чём. А именно поэтому вы можете устремить свой взор в сторону быстрой зарядки, сейчас это куда перспективнее и надёжнее. Я надеюсь, удалось до нести информацию о том, почему производители сейчас беспомощны.