18 мая 2015
На правах оффтопа: аккумуляторы нового типа
Павел Крижепольский
Немного об аккумуляторах нового типа. «Шелковая» батарея из Китая против нанотехнологий из России, принцип советского калькулятора в современных японских смартфонах, алюминиевый аккумулятор, который можно зарядить за минуту, и другое
Пару недель назад мы говорили о том, как можно добиться прироста времени автономной работы в теории. Теперь давайте посмотрим, как с этим обстоят дела на практике. А для примера возьмем новости за последний месяц.
 |
На правах оффтопа: дожить до розетки |
В Стэнфордском университете разработали аккумулятор принципиально нового типа, который может стать чуть ли не идеальным. Судите сами: гибкий, безопасный, дешевый в производстве, со сверхбыстрой скоростью зарядки и с большим количеством циклов перезарядки. Все это делает его отличным решением как для традиционных мобильных устройств, так и для носимой электроники и «умной» техники всех мастей, от дронов до «умной» одежды.
Аккумулятор относится к классу алюминий-ионных и внешне больше напоминает кусок фольги, чем привычные нам аккумуляторные батареи. Да и во время эксплуатации ведет себя совершенно иначе – например, в отличие от его литий-ионного родственника, его спокойно можно просверлить насквозь. К взрыву, воспламенению и прочим неприятным последствиям это не приведет. Также немаловажно, что даже имеющиеся в распоряжении разработчиков прототипы спокойно выдерживают 7500 циклов заряда без потери емкости, в то время как у большинства Li-ion батарей этот параметр почти в десять раз меньше. Скажем, аккумулятор Apple Watch через 1000 циклов зарядки потеряет 20% своей изначальной емкости, а батарее iPhone для этого понадобится еще меньше – всего 500 циклов.
Но самое интересное – это скорость зарядки такого аккумулятора, которая, по уверениям разработчиков, будет составлять около минуты. Воткните смартфон в розетку, медленно сосчитайте до десяти, и все, аккумулятор заряжен, можно идти дальше.
[iframe url=»//www.youtube.com/embed/ZKIcYk7E9lU» width=»640″ height=»360″ scrolling=»no» frameborder=»0″ marginheight=»0»]
Увы, без ложки дегтя в этой бочке меда не обошлось. А если точнее, то даже без двух ложек, каждая из которых по размеру сравнима с половником. Во-первых, текущие прототипы могут выдавать напряжение лишь в 2 вольта, в то время как Li-ion аккумуляторы выдают 3,6. А во-вторых, у алюминиевых аккумуляторов пока не все ладно с самым главным параметром – удельной энергоемкостью. Пока что разработчикам удалось добиться только 40 Ватт*часов на килограмм против 100-206 Вт*ч/кг у литий-ионных аккумуляторов.
Хочется верить, что со временем эти недостатки удастся побороть. Пока же от использования подобных батарей в смартфонах вреда будет куда больше, чем пользы.
Не отстают от своих иностранных коллег и российские исследователи. Ученые из Института лазерной физики (ИЛФ) СО РАН и Института неорганической химии (ИНХ) СО РАН работают над уникальной технологией, способной увеличить емкость аккумуляторов в десятки раз, при этом не меняя их физические размеры. Или, как вариант, выпустить совсем миниатюрные батареи, по своим характеристикам ничем не уступающие современным аккумуляторам.
Суть технологии заключается в применении особого покрытия с углеродными нанотрубками, диаметр которых составит от одного до нескольких десятков нанометров.
Вот что говорит об этом изобретении один из работающих над ним ученых:
Углеродные нанотрубки обладают высокой электропроводимостью. А ёмкость конденсатора — это фактически площадь его поверхности. И когда на обычную плоскую поверхность мы наносим углеродные нанотрубки, площадь этой поверхности «развивается». Заряд накапливается на самих нанотрубках, и ёмкость (конденсатора) зависит уже от этой развитой площади.
Звучит просто потрясающе, да вот только одна беда – пока нет даже примерных сроков внедрения подобной технологии в производство. Так что сколько нам ждать подобных аккумуляторных батарей, остается только гадать.
Как видите, проектов и изобретений в области аккумуляторов хватает, в том числе и тех, что кажутся совершенно фантастическими. Но одним из самых приоритетных направлений пока считаются твердотельные аккумуляторы, над созданием которых бьются сразу несколько крупных компаний. Например, подобные исследования уже вовсю ведутся в лаборатории Google X.
Чем-то подобным занимаются и специалисты компании Sakti3, которая была основана несколько лет назад выходцами из Мичиганского университета. В теории, их твердотельные Li-ion аккумуляторы позволят добиться двукратного увеличения емкости при тех же размерах.
К сожалению, никаких подробностей о ходе работ над этим проектом нет. Но весьма показателен тот факт, что Sakti3 оказывают финансовую поддержку сразу несколько всемирно известных компаний, от автоконцерна General Motors до британского производителя бытовой техники Dyson. Последний на днях вложил в эти исследования $15 млн. Основатель Dyson Джеймс Дайсон прокомментировал это решение следующим образом:
Sakti3 достигла скачка в производительности, который современные технологии изготовления батарей попросту не могут обеспечить.
Судя по косвенным признакам, проект Sakti3 – нечто гораздо большее, чем очередные туманные обещания светлого будущего.
А вот в Volkswagen решили сделать ставку на другую лошадку – американскую компанию QuantumSpace Corp., которая также занимается разработкой твердотельных аккумуляторов. Подробностями они делиться тоже не спешат, известно только, что по расчетам специалистов Volkswagen, новые аккумуляторы позволят увеличить запас хода электромобилей до 700 км. Более того, представители автоконцерна официально сообщили о том, что прогресс в разработке таких аккумуляторов весьма заметен и светлое будущее уже не за горами.
Между тем, у китайских исследователей из Пекинского технологического института принципиально иной взгляд на вещи. Вместо того, чтобы плодить лишние сущности и заново изобретать велосипед, они предлагают улучшить уже существующие батареи.
Причем сделать это предлагается в лучших китайских традициях – с помощью не неведомых нанотехнологий, а самого обычного шелка. Как выяснилось, после специальной переработки из натурального шелка можно получить особый материал, способный удерживать в пять раз больше лития, чем привычный графит, который сейчас повсеместно используется в Li-ion батареях.
Емкость первых прототипов «шелковых» аккумуляторов составила 1865 мА*ч/г против 372 мА*ч/г у стандартных изделий, причем после 10 000 циклов перезарядки они потеряли всего 9% изначальной емкости.
Говоря о времени автономной работы, нельзя не вспомнить бытовые аккумуляторы от компании Tesla. Уже сегодня они активно устанавливаются в зданиях коммерческих компаний США и совместно с солнечными батареями SolarCity позволяют на 20% сократить затраты на электроэнергию.
Вы спросите, при чем тут смартфоны? Все очень просто – в них можно использовать тот же принцип.
Еще в советское время появились калькуляторы с солнечными батареями. Если внешнее освещение позволяло, то они могли работать только от них. Если же со светом был напряг, то они компенсировали недостающее напряжение с помощью обычной батарейки. Таким образом, за их заряд можно было практически не беспокоиться, стандартной батарейки им хватало очень надолго. Лет десять назад я впервые увидел пульт от телевизора, который работал по схожему принципу, а пару лет назад наткнулся на рекламу чехлов для iPhone с солнечными батареями. Похоже, что теперь дело дошло и до самих смартфонов.
По данным ресурса Pocket-lint, японская фирма Kyocera разрабатывает смартфон, способный преобразовывать падающий на экран свет в электроэнергию. Для этого между дисплеем и защитным стеклом планируется поместить светочувствительный слой из прозрачного материала, пропускающего 90% света.
Вопрос только в КПД подобного экрана. Одно дело – зарядить от солнечного света простенький калькулятор. И совсем другое – современный смартфон, который уже давно скорее компьютер, чем телефон. Да еще и сделать солнечную батарею практически прозрачной. Ради выигрыша в пару процентов заряда никто не станет мириться с ухудшением свойств экрана, полностью избежать которого вряд ли удастся. Причем насколько будет заметен этот светочувствительный слой в реальной жизни, роли почти не играет – истерика вокруг того же PenTile не стихает до сих пор, хотя на современных экранах его даже под лупой сложно разглядеть.
Еще один способ сохранить заряд аккумулятора к концу дня – поменьше его тратить. Но речь идет не о том, чтобы ограничивать себя при использовании смартфона. А о том, чтобы ограничить сам смартфон.
Разработчики Nikola Labs считают, что смартфон расходует энергию совершенно нерационально. Кучу энергии он тратит на пустые попытки подключиться к сотовой сети или неудачную передачу данных. Чехол, который они разработали, поможет сохранить до 90% такой энергии, преобразовав волны Wi-Fi, Bluetooth и LTE в энергию аккумулятора.
[iframe url=»//www.youtube.com/embed/XRS84zoCpkw» width=»640″ height=»360″ scrolling=»no» frameborder=»0″ marginheight=»0»]
На словах все очень солидно – партнерство с университетом штата Огайо, официальные патенты и все прочее. Настораживает только то, что это уже не первая попытка самых разных стартапов выпустить подобный «чудо-чехол». Но дальше громких слов (а в некоторых случаях даже сбора предзаказов) дело пока так ни у кого и не пошло. Да и как такой чехол скажется на качестве связи, тоже совершенно неясно.
Разработчики планируют в следующем месяце представить проект на Kickstarter, и очень хотелось бы верить, что вся эта шумиха – не просто способ заработать легких денег на доверчивых вкладчиках.
Это значит, что в лучшем случае мы увидим реальное применение этих технологий года через 3-4, не раньше. А вообще было бы здорово, если смартфон заряжался за пару минут. Увеличение емкости даже не так интересно.
>> А вообще было бы здорово, если смартфон заряжался за пару минут.
Еще в научно-популярных журналах Советского Союза обсуждались перспективы перехода с аккумуляторв на конденсаторы. Там зарядка совсем мгновенная будет. Но, насколько я понимаю, пока не удается решить проблемы с малой емкостью.
Дело там даже не столько в малой емкости, сколько в быстром саморазряде.
Еще проблемы с перегревом. Неустойчив к физическим повреждениям.
А вот кстати, если он будет заряжаться в течении минуты, то сколько он будет от розетки брать? 100А?))) По идее, чудес не бывает, учитывая емкости аккумуляторов 2-4 А/ч. При этом время заряда 2-4 часа при токе соответственно около 1А. Для времени 1-2 минуты это будет сокращение почти в 100 раз, а количество энергии придется запасти то же самое. Закон сохранения никто не отменял) Придется тогда серьезно озаботится подводящими проводами)
Специалисты поправьте, если не прав)
поднимут напряжение -> снизят ёмкость (размеры и вес) -> снизится ток. Это давно пройдено в RC-моделизме.
5КВт движки прекрасно летают на сборках из 12 банок 5Ач (4.2*12=50.4 на начало полета). Ток 60-130А (в зависимости от стиля и умения). Представьте если это кормить даже 25В 🙂
Вот как раз с напряжухой то проблемы у новоиспеченных аккумов, судя по статье.
Вы читайте внимательнее. Последовательное соединение давно придумано и его свойства детально изучены 🙂
А мужуки то не знали! Почему же тогда в этой цитате озвучивается проблема?
——
Увы, без ложки дегтя в этой бочке меда не обошлось. А если точнее, то даже без двух ложек, каждая из которых по размеру сравнима с половником. Во-первых, текущие прототипы могут выдавать напряжение лишь в 2 вольта, в то время как Li-ion аккумуляторы выдают 3,6
——
Что мешает соединить н-ное количество раз и получить требуемое?
Техническая безграмотность местных журналистов имхо давно уже не секрет.
p.s. Вроде кто-то из китайцев уже применяет 2х баночный аккум в телефонах. В ноутах это давно не вызывает удивления.
100 ампер в аккумулятор пойдут с напряжением 3-5 вольт. Это 300-500 ватт мощности. Даже чайник потребляет больше.
Ну допустим. Тогда ответьте, как запасти требуемую емкость при сравнимом напряжении за время почти на два(!) порядка меньшее?
А в чём проблемы? Сйчас зарядное устройство потребляет 5-10 ватт из сети. Будет потреблять 500 ватт. Ну да, на два порядка. Только к чему тут вот этот (!) восклицательный знак?
при этом сечение проводов и разъемы как у проводов для прикуривания? 😉
Вот поэтому, скорей всего, заряжать будут не через провода, а в док-станции. Чтобы провода были не нужны.
чем выше ток тем сильнее он греет провода, и чем тоньше провод тем быстрее перегорит, чтобы заряжать 100 амерами что-то, надо хорошие медные провода, чтобы не горели за раз, поэтому так никто и не делает.
Док-станция без проводов, и проблема решена. а ещё вместо 1 минуты заряжаем 20. И от 100 ампер остаются уже более-менее приемлемые 5. В реальном устройстве крайностей не будет. Будет компромисс.
Что в вашем понимании док станция? и куда в ней денутся провода?
Если вы рассуждаете на уровне док станции а ля как у сонек, то там дело еще хуже… Тонкие контактные пластинки 😉 А надо будет при таких токах как минимум EC5 🙂
Я согласен в одном. Такие параметры (100А, 1 минута и прочее) — это максимализм и в реальных устройствах для неквалифицированных людей такого не будет никогда.
Пластинки могут быть и широкими. А ещё можно повышать напряжение аккумулятора, чтобы уменьшить зарядный ток.
Был бы аккумулятор, а метод работы с ним найдётся. А аккумулятора пока нет.
ширина пластинок бесполезна пока нет жесткого контакта. А про увеличение напряжения я это писал еще вчера 🙂 Однозначно пойдут в этом направлении. Правда усложняется система заряда. По факту аккумуляторы LiPol с разрядными токами 40-65С и зарядным 10C давно есть. У LiFe обещали еще хлеще параметры, но похоже не пошло…
А по мне так наоборот. Пусть заряжается полдня, но потом живёт полмесяца.
да хоть всю ночь 😉
Полдня это уж слишком стационарный режим использования) К тому же, если взять некий мобильный аккум тыщ на 10-20, то он вполне может почти полдня заряжаться) А вот насчет полмесяца последующей работы — зависит исключительно от профиля эксплуатации)
любой современный LiPol аккум может заряжаться током 1С. Почему не делают такие зарядники? Потому что они технически сложнее, дороже, провода нужны толще (значительно). Вот вы и заряжаете 10Ач током 1А. Модельные силовые аккумы заряжаются и 10С и больше бывают. Но там и зарядники значительно сложнее и дороже и квалификация пользователя на порядки отличается.
Ну почему только от профиля эксплуатации? Если с аккумулятором в 5 ватт-часов мобила живёт сутки, то с аккумулятором в 100 ватт-часов протянет дней 15-20. Даже при том же профиле эксплуатации. Лишь бы саморазряд был не очень быстрый.
для электромобилей это было бы критически круто
Действительно, на разработку чего то нового и правда уйдет еще не один год. А вот улучшить уде имеющееся…. Ну хотя бы емкость в два раза увеличилась, да еще неплохо было бы видеть мгновенную зарядку… Стало бы совсем хорошо) Хотя, я думаю, полного удовлетворения человеку не познать)) Будет это — через какое то время начнется нытье о том, что всего на полгода заряда хватает и пр.)))
Ага. Потому что другие быстренько состряпают 10-ядерные процессоры, которые сожрут весь выигрыш емкости)
Надо обязать производителей телефонов указывать не абстрактные 10 часов разговора и 500 ожидания, а гарантированное время работы при любой нагрузке. И тогда десятиядерность как рукой снимет 🙂
Это утопия.
Ну могу же я помечтать!
Жду прорыва от китайцев )))))….
Сдается мне, что у китайцев лучше получается копировать и развивать имеющееся, нежели разрабатывать нечто кардинально новое. Вот японцы, да.
хм… да мне в сущности наплевать как они это сделают и как это можно классифицировать ))))) главное чтоб работало!!!! а они уже предложили см. текст статьи, а зная их промышленные возможности я думаю, что до внедрения в производство у них будет самый короткий период ))))
Ну вот когда будет — посмотрим. Пока что аккумы особого оптимизма не вызывают.
а жизнь вообще такая штука ))) оптимизма не вызывает ))))))…. но так или иначе, вы правы, поживем — увидим, или не увидим ))))
Я бы не стал так обобщать. Как раз начинки смартфонов вызывают оптимизм, в отличии от аккумов)
Что, очередной прорыв? Второй с начала года вроде? Или третий?
таких статей уже штук 10 за последние года 4, а воз и ныне там
Пока реальными выглядят только «шелковые» акки, там есть хоть какие-то цифры из испытаний, а не только красивые цифры.
т.е. 1.8ач на грамм никого не смущает, при том что обычный акум в телефоне весит грамм 50 и емкостью 2000, а тут при таком весе, будет аж 90ач..
ой, терзают меня смутные сомнения, хотя скорее всего автор не понял цифр просто
Не будет из 50 гр. полезных 10-15, остальное — изоляция.
Вот увидете: только изобретут новый аккумулятор повышенной емкости, как маркетологи нас убедят в необходимости использования 18-ядерных процессоров для 12к экранов. И будет ваше чудо о 10000 мАч разряжаться к обеду…
Хэхэ. То же самое написал десять минут назад чуть ниже)
Про » шёлковую» технологию я смотрел в н.п. фильме на дискавери лет пять назат. Всё ещё в перспективных технологиях ходит. М да, прогресс стоит, рывка нет и неизвестно когда будет.
И фильм наверное был тогда уже пятилетней давности — как обычно по дискавери
Думаю, если поставить аккумулятор на 3000-3500 мАч и компоненты на 14нм технологии, причем не 10-ядерный проц, уберскоростную память и т.д., а средней производительности, достаточной для повседневных задач за исключением 3д игр, full-hd экран вместо 2k/4k, более-менее чистый андроид чтобы кривая оболочка не ела заряд, то получится компактных размеров пятидюймовый смартфон, который потянет 2-3 дня стандартной нагрузки без подзарядки, еще и по приемлемой цене.
Только производители никак не допрут такой сделать. Наверное маркетологи считают, что он не будет востребован. Ну как же, на нем ведь не написано «еще больше ядер, мегагерц и пикселей!!!»…
давно есть такой — Алкатель Хиро 🙂
З.Ы. во всяком случае у меня он держит 2 суток в сети 3Ж и 3 если 2Ж
З.З.Ы. причем он даже 6 дюймов
Ну если просто лежит в сети 3Г и держит, то соглашусь вполне)))))
ну что значит просто лежит?
1 час музыки в день, примерно 30-40 минут лазанья в инете — и постоянная синхронизация (Однокласники, вибер, почта и т.д.) и примерно 1 час разговоров
Ну это достаточно умеренный режим использования. К тому же понятие «работает в 3Г» может сильно разниться. К примеру, если телефон долго находится, а уж тем более качает данные при слабом 3Г сигнале — он продержится явно меньше, нежели такой же, но при хорошем сигнале. И т.д и т.п. Слишком много факторов здесь влияют. Поэтому все относительно и строго индивидуально.
Ну это да … факторов много …
Но основная то суть в том, что не переживаю по поводу того, что зарядив девайс утром перед работой мне не хватит зарядки до возвращения домой вечером 🙂
Я в принципе тоже не переживаю с миником, если не мусолить его часами))
Да, алкатель в этом плане молодцы, но надо подождать процессоров и других компонентов на 14нм, пока они доступны только самсунгу и интел, вроде. А не за горами уже и 10нм, если освоят — будет интересно. Но вот боюсь, что в погоне за умами потребителей все преимущества спустят у убертонкие корпуса и 4к экраны с 60фпс, а также 10 ядер, 8гб оперативки и прочую ересь…
Факторов много. А в целом, главное, чтоб продавалось. Остальное для производителя вторично. Попадаются относительно вылизанные прошивки и экономичные чипсеты — они будут держать более-менее. Плюс, идут по пути создания чипсетов содержащих энергоэффективные и мощные ядра одновременно.
Сколько себя помню, раз в месяц в новостях технических сайтов выходят заметки о новых «прорывах» в области аккумуляторов.
То есть речь идет о десятках лет вешания лапши на уши.
А результат все тот же. За анонсом ничего не следует и ничего не происходит.
Так что вообще не имеет смысла говорить об этом.
Пока не выкатят работающий аккумулятор.
Даже условно запущенная в эксплуатацию идея топливных элементов куда-то тихо испарилась.
Вангую, что Apple в новом iPhone представит «шёлковый» аккумулятор, производство же в Китае находится. А корпус будет отшлифован крыльями бабочек.
пусть хоть кто нибудь что нибудь представит!
Кто вам сказал, что у литиевых батарей срок службы в десять раз меньше? Современный литий легко выдерживает 10 тысяч полных циклов, гарантированное производителем число обычно от 5 до 7 тысяч.
википедия и недавние заявления яблока говорят о 1000 циклов зарядаразряда. откуда вы цифру в 10000 взяли?
В принципе батарею можно убить и за один цикл, было бы желание. Литий ко всем своим выдающимся характеристикам обладает еще и отличными возможностями манипулировать с соотношением используемой емкости и времени эксплуатации, получая при этом прогнозируемый и гарантированный результат. Этим его свойством и пользуются производители бытовой электроники, которые ради выжимки дополнительных 15-20% емкости идут на снижение порога разряда батареи (а это убивает литиевые батареи лучше всего), что и приводит к такому большому уменьшению ее ресурса. Потребитель-то готов и за такой подход платить, ну так почему бы и нет?
Но тут литий пока сам с собой конкурирует, и если эти лишние капли из него не выдавливать, то он еще и чертовски долговечен. Не просто же так Маск собирается десять лет гарантии на свои батареи давать.
А статьи в Википедию, как известно, болваны всякие пишут, которые толком не представляют, что и откуда берется, как вообще устроено и работает, почему для разных типов батарей понятие цикл обозначает совершенно разные вещи.
В статье был скрин офф сайта Apple с не менее официальной информацией об эксплуатации их аккумуляторов на разных устройствах. При чем тут Википедия где «болваны статьи пишут»?
Проблема в том, что вы в статье сравниваете теплое и мягкое — для этой алюминиевой батареи вы берете некие теоретические параметры, а для лития параметры конкретной реализации. С таким же успехом можно сравнивать сталь и гайку — что из них будет лучше?
1000 циклов у Apple это не показатель пределов технологии, это показатель пределов конечного устройства, в котором сознательно пожертвовали ресурсом ради дополнительного прироста емкости. При сопоставимом ресурсе литий просто выиграет в удельной энергоемкости у этой алюминиевой батареи не в 5, а в 4 раза. Т.е., все, что на самом деле есть у Стенфорда, это некий новый тип батарей, который с существующими решениями пока и близко не стоит.
Я сравнил реально существующий прототип с реально существующими на рынке решениями. И отдельно отметил, что именно с энергоемкостью у этого прототипа как раз большие проблемы, из-за чего использовать его на практике пока нельзя. Ни о каких «пределах технологий» речи не шло изначально
Прототип конструктивно представляет из себя две две пластины катода и анода, это еще не то изделие, которое можно взять и пользоваться. Прототипы литиевых батарей выглядят точно так же, их тоже можно без серьезных последствий протыкать и быстрее заряжать. И остальные характеристики у них гораздо лучше, чем у батарей, которыми мы реально пользуемся.
думаю сноски (96-97-98) которые используются в статье https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery а не сама статья, достаточный источник.
Да производители техники сами не заинтересованы в «вечных» аккумуляторах.
Об этом косвенно говорит то, что на многих моделях стоят
встроенные аккумуляторы, которые сам потребитель поменять
не сможет. Логика здесь проста. Аккумулятор дохлый?
Покупай новый смарт. Он в 100500 раз лучше, чем прошлогодний
флаган.
И не надо говорить, что такой аккумулятор можно поменять
в сервисе или то, что его хватает на 10 лет при ежедневном
пользовании. Всё это отговорки.
Никто никогда не будет выпускать идеальный товар,
потому что через пару лет он будет у всех и производитель
станет никому не нужным, поэтому куда проще кормить
народ байками о поисках нового типа аккумулятора,
чем создавать его на самом деле.
Ох, скорее бы кого-нибудь прорвало на инновацию уже.
Извиняюсь, что вне темы, но уважаемые эксперты, прошу у Вас совет по подбору смарта. Бюджет небольшой, тысяч до 12. Требования: аккумулятор большой ёмкости(да-да, устал каждые день-полтора считать проценты), сносную камеру(тренировки пишу на смарт, очень важно), экран 5″ или больше. 2 sim необязательно совсем. И слот для карты памяти(видео же писать). Основное сказал вроде.
Заранее спасибо всем:)
Хе-хе, корпус у всех станет максимально тонким, батарейку уменьшат, а держать будет сутки-двое, вот и сказочке конец.