Аккумуляторы для смартфонов: в поисках нового лития

Смартфоны и другие электронные устройства сильно эволюционировали за последние несколько лет, как и их батареи. Литиевые батареи доминируют на рынке и являются наиболее часто используемыми батареями для большинства электронных устройств. Тем не менее, исследователи долгое время искали альтернативу литию, и не зря.

Все становится беспроводным, интегрированным, мобильным и портативным – устройствам по-прежнему требуется электричество. Большинство батарей питаются от лития. Литий-ионные аккумуляторы обычно используются в смартфонах, планшетах, наушниках, часах и многих других объектах. Но растут опасения, что постоянно растущий спрос на батареи в конечном итоге истощит важные запасы, такие как кобальт или литий. В результате ведутся исследования по устранению угрозы нехватки лития до того, как она возникнет.

Натриевые батареи – слишком горячие, чтобы обращаться с ними

Исследователи систематически тестируют новые материальные базы для батареи. Их особенно интересуют элементы из первой группы таблицы Менделеева. Они могут испускать электроны – это основной принцип, лежащий в основе всей нынешней мощности батарей. Кроме того, атомы должны быть как можно более легкими, чтобы хранить больше энергии, чем масса.

Один многообещающий кандидат – натрий. Это вещество имеет свойства, аналогичные свойствам лития, что привело к созданию первых натрий-серных батарей около 50 лет назад. Однако практический вопрос заключается в том, что для хорошей работы натриевая батарея должна работать при температуре не менее 300 градусов по Цельсию (это около 570 градусов по Фаренгейту). Это необходимо, чтобы избежать повреждения анодов (полный обзор можно найти на Батарейный университет). Еще одним недостатком является то, что жидкий натрий легко воспламеняется, и его очень сложно безопасно утилизировать.

Батареи могут быть опасными. / © ANDROIDPIT

Разработка натриевых батарей, безопасных для эксплуатации при комнатной температуре, началась давно. Поскольку они разрабатываются с той же конструкцией, что и литий-ионные батареи, цель все еще не достигнута. Катод с подходящими характеристиками для более крупных ионов до сих пор не найден.

Фосфор потенциально является решением для этой части этой батареи. Однако для зарядки прототипов аккумуляторов требуется много времени – семь или более часов для аккумулятора размером с смартфон – в противном случае будет заполнена только часть емкости аккумулятора. Маловероятно, что такая батарея будет готова к продаже в ближайшее время.

Вместо натрия некоторые исследователи назвали магний в качестве основного материала для будущих супер-батарей. Магний может испускать два электрона одновременно и в чистом виде может служить анодом. Однако конструкция этих батарей должна быть переработана химически.

В настоящее время разница с литиевыми батареями все еще слишком велика. Тем не менее потенциал огромен. Магниево-серная батарея, по крайней мере теоретически, будет содержать в четыре раза большую плотность энергии, чем сегодняшние литий-ионные элементы. На данный момент этого хватит только на несколько циклов зарядки – система все еще слишком хрупкая. Кажется, что прорыв здесь возможен, но не обязательно в ближайшем будущем.

Алюминиево-ионные аккумуляторы создают другие проблемы. Их плотность энергии 40 Вт на килограмм сопоставима со старыми свинцово-кислотными аккумуляторами. Они слишком малы для современных смартфонов, планшетов и других устройств. Тем не менее, исследователи все еще работают над этим вопросом, поскольку алюминиево-ионные батареи могут выдерживать очень высокие токи зарядки и чрезвычайно большое количество циклов зарядки. Смартфон вполне может зарядить его за одну минуту. Алюминий также дешев, как и возможный графитовый катод. Тем не менее, пройдет некоторое время, прежде чем эта идея будет готова к производству для промышленности.

Литий задержится на некоторое время

Суть в том, что потребуется много времени, прежде чем литий-ионные батареи столкнутся с серьезной конкуренцией. Все существующие альтернативы требуют дальнейшего развития. Это исследование также очень дорогое, в то время как использование лития остается простым и дешевым. Кроме того, цель состоит не в том, чтобы вытеснить литий-ионные аккумуляторы с рынка, а в том, чтобы найти лучший или более дешевый вариант, который был бы таким же гибким и безопасным, как современные технологии. Как будет выглядеть эта батарея, остается интересным вопросом.