Как развивались аккумуляторы в смартфонах

Мы часто ругаем современные смартфоны за малое время работы. Сейчас они живут сутки, максимум двое – а ведь 20 лет назад мобильные телефоны выдерживали до недели активного использования.

Такое сравнение несправедливо, ведь новые смартфоны гораздо более продвинутые, чем Nokia 3310, и потребляют на порядок больше энергии. Тот факт, что современные аккумуляторы обеспечивают им день-два автономной работы – результат десятилетий научных изысканий и экспериментов.

Последние разработки дают надежду на то, что будущие смартфоны предложат существенно большее время работы. Но когда это произойдет? Рассказываем, как развивались источники питания и какие инновации позволят совершить рывок в автономности смартфонов.

Устройство и принцип работы аккумулятора

Любой источник электрического тока работает схожим образом. В его основе лежат два электрода, контактирующие с электролитом – веществом, способным проводить электрический заряд благодаря большой концентрации ионов (положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы). В качестве же электролита выступают растворы щелочей, кислот или солей.

Отрицательно заряженный анод (свинец, кадмий, цинк и др. металлы) содержит восстановитель, который отдает электроны в ходе окислительной реакции. Эти электроны переходят по внешней цепи к положительно заряженному катоду (оксид свинца, марганца и другие). Там они участвуют в реакции восстановления окислителя.

При подключении к электродам нагрузки создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.

Аккумуляторы в первых мобильных устройствах

Первый в мире сотовый телефон Motorola DynaTAC 8000X был выпущен в 1983 году и питался от никель-кадмиевой батареи (Ni-Cd). В ней анодом выступал гидроксид кадмия, а катодом – гидроксид никеля. В качестве электролита использовался щелочной раствор.

Время зарядки таких батарей достигало шести часов, при этом они обеспечивали всего около часа автономной работы. Также Ni-Cd аккумуляторы были подвержены эффекту памяти – уменьшению емкости в результате подзарядки не до конца разряженного источника питания. Из-за этого приходилось полностью разряжать и заряжать их. В противном случае время работы не дотягивало и до одного часа, а сам аккумулятор быстро выходил из строя.

При подключении нагрузки Ni-Cd аккумуляторы быстро нагревались. Кроме того, они были крупными и тяжелыми, что стало проблемой с уменьшением габаритов сотовых телефонов.

Устранить эти недостатки были призваны никель-металлогидридные батареи (Ni-MH). Вместо гидроксида кадмия роль анода выполняет металлогидридный сплав никель-лантан или никель-литий.

В сравнении с Ni-Cd новый тип аккумуляторов предлагал гораздо более высокую мощность и энергетическую плотность. Последний пункт позволил уменьшить габариты Ni-Mh батарей, одновременно увеличив емкость.

Такой набор характеристик делал Ni-Mh привлекательным решением для сотовых телефонов. Однако были и недостатки: такие батареи все еще сильно грелись и часто «вздувались». Также они были подвержены эффекту памяти. Тем не менее они были популярны до начала нулевых, когда на горизонте появилась новая технология.

Переход на Li-ion

Патент литий-ионного аккумулятора был зарегистрирован американским ученым Мэнли Уиттингем в 1970 году. В нем предлагалось использовать графитовый анод и катод из оксида лития. Между ними располагался пористый сепаратор, пропускающий через себя ионы лития и препятствующий контакту электродов.

В 1985 году японец Акира Йошино разработал эффективные электроды для такого рода элементов питания. Для анода использовалась подложка из медной фольги, для катода – из алюминиевой. Первый же серийный Li-ion аккумулятор был выпущен компанией Sony в 1991 году.

Переход на новую технологию значительно увеличил энергетическую плотность, а также избавил аккумуляторы от ярко выраженного эффекта памяти. Еще одним плюсом стало сокращение времени зарядки.

Первые Li-ion батареи обладали энергетической плотностью 100 Вт*ч/кг. С тех пор было множество оптимизаций технологии, экспериментов с материалами и компоновкой – и сегодня мы имеем аккумуляторы с плотностью 300 Вт*ч/кг.

Форма батарей тоже менялась, чтобы максимально эффективно использовать пространство. Так, вышедший в 2019 году iPhone 11 Pro Max получил L-образный аккумулятор емкостью 3969 мА*ч. Для сравнения, в iPhone XS Max применялась батарея из двух ячеек, суммарная емкость которых составляла всего 3174 мА*ч.

Также экспериментируют с разными материалами. Например, вместо графитового анода начали использовать кремний-кислородные, способные хранить в четыре раза больше ионов лития. Первым смартфоном с такой батареей стал Xiaomi 11 Ultra в 2021 году.

Сегодня же батареи емкостью 5000 мА*ч встречаются даже в недорогих смартфонах. Так что развитие Li-ion аккумуляторов продолжается. Например, постепенно уменьшается толщина сепаратора, а также металлических подложек анода и катода. Все это делает батарейные ячейки меньше при сохранении емкости.

С уплотнением компоновки остро встала проблема нагрева. Современные Li-ion батареи обладают эффективностью 95%. Оставшиеся 5% энергии превращаются в тепло. На первый взгляд, это немного – но при инженерных ошибках даже такой нагрев может вывести аккумулятор из строя.

Еще одной проблемой Li-ion аккумуляторов является постепенная деградация – за 2 года Li-ion батарея теряет в среднем 10% емкости, даже если не используется. Средний срок службы таких аккумуляторов составляет 5 лет, после чего их нужно утилизировать – а это весьма непросто.

Впрочем, эти параметры значительно лучше, чем у батарей 10-летней давности. Также упала цена Li-ion аккумуляторов: если в 2010 году 1 КВт*ч обходился в 1183 доллара, то сегодня он стоит всего 130 долларов. А если сравнивать с 1991 годом, то падение цены составило 97% — тогда 1 КВт*ч стоил 3000 долларов.

Что дальше

Одной из технологий, которая может увидеть свет в ближайшие годы, являются литий-серные батареи. Их конструкция схожа с литий-ионными, однако вместо графита в катоде используется сера.

По словам ученых, это открытие позволит создавать аккумуляторы с энергетической плотностью до 400-500 ватт-час на килограмм массы. Это примерно вдвое выше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов.

Сейчас такие батареи не способны выдержать большое число перезарядок. Еще одна проблема на пути их распространения – плохая совместимость с существующими электролитами, из-за чего падает мощность и энергетическая плотность. Впрочем, уже скоро это может измениться.

В 2021 году японские ученые разработали твердый электролит для литий-серных батарей. Первые опыты показали значительное повышение энергетической плотности, однако новый материал быстро окислялся и терял свойства при каждом следующем цикле зарядки.

Исправить это помогло добавление в электролит наночастиц из атомов углерода и различных солей лития. В результате окисление замедлилось, что защитило его от дальнейшего разрушения.

Дальнейшие эксперименты привели к неожиданному открытию. Учёные из Дрексельского университета в Филадельфии случайно создали форму γ-серы, стабильную при комнатной температуре. Катод на ее основе выдержал тысячи циклов заряда-разряда без снижения производительности даже через год. Пока такие разработки находятся на ранних этапах разработки, так что вряд ли мы увидим их коммерческое воплощение

Другое перспективное направление – аккумуляторы с твердотельным электролитом. Они не только предложат высокую емкость, но и устранят одну из причин деградации Li-ion аккумуляторов – осаждение металлического лития в древообразные структуры (дендриты) от анода к катоду. Они пробивают сепаратор и могут стать причиной короткого замыкания.

Кроме того, твердотельный электролит сделает аккумуляторы устойчивыми к отрицательным температурам. Сейчас Li-ion батареи эффективно работают в довольно узком температурном диапазоне — от 0°С до +35°С.

При низкой температуре вязкость жидкого электролита резко возрастает, а транспортная способность ионов лития затрудняется. В результате аккумулятор быстро разряжается. Использование твердотельного электролита устранит такую проблему.

Сейчас производители активно работают над батареями такого типа. В марте компания Xiaomi представила свой первый твердотельный аккумулятор с рекордной энергетической плотностью 1000 Втч/л. Для сравнения, нынешние Li-ion аккумуляторы обладают ёмкостью на уровне 693 Втч/л. Возможно, новой разработке найдут применение в смартфонах уже в 2024 году.

За 40 лет аккумуляторы в телефонах прошли длинный путь от огромных ячеек, заряжающихся 6 часов и выдающих всего час работы, до тонких батарей емкостью 5000 мА*ч, восполняющих заряд за полчаса.

В будущем мы можем увидеть смартфоны, живущие до недели, а до этого придется не забывать ставить их на зарядку хотя бы раз в сутки. Впрочем, для большинства это не является проблемой, да и технологии быстрой зарядки значительно упрощают жизнь.