Недостаточная автономность мобильных устройств – одна из самых острых проблем развития мобильной техники. Гаджеты становятся мощнее и тоньше, и данный факт порождает дилемму. Более мощные устройства требуют больше энергии, и, казалось бы, решение проблемы лежит на поверхности – нужно просто снабдить их аккумуляторами большей емкости. Но! Как мы уже сказали, мобильные устройства становятся также тоньше, а потому столь примитивное решение не является удачным. Можно, конечно, взять курс на утолщение корпусов, но вряд ли это понравится пользователям, которые привыкли к тонким изящным моноблокам.
Как же решают мобильные производители проблему недостаточной автономности своих продуктов? Пока в большей степени программно, создавая различные режимы энергосбережения и другие замысловатые опции.
Однако очень часто в последнее время от различных ученых сообществ приходят новости о том, что им удалось создать революционный аккумулятор, но, к сожалению, дело почему-то не заходит дальше новостей. Несмотря на, казалось бы, стройные теории, ученые не могут воплотить свои идеи на практике по той или иной причине.
В этой статье попробуем разобраться, что же пытаются улучшить ученые, какие у них возникают проблемы и возможно ли их решить.
Супер скоростные аккумуляторы
Первый параметр, которые ученые постоянно стремятся повысить – скорость зарядки. Но, к сожалению, возможности тут не слишком широки, потому как эта скорость имеет свои границы. Многие полагают, что проблема заключается в химических законах, протекающих в аккумуляторах с определенной скоростью, которую никак не убыстрить, однако разработчики аккумуляторов давно установили, что границы, задаваемые химическими реакциями, очень широки, если бы только они мешали скорости заряда, то заряжать, например, литий-ионные батареи можно было бы в секунды. Однако тут нужно подумать еще о физике и ее законах.
Разберемся на примере. Допустим, у нас имеется девайс с батареей 3000 мАч, и если мы хотим зарядить эту батарею за час, нам придется "дать" ей ток 3А. Тогда, чтобы зарядить батарею за минуту, необходимо будет подать ток порядка 200 А, что, как понятно, наверно, каждому, цифра совершенно дикая. Такую силу тока не сможет обеспечить ни одно зарядное устройство, а если и сможет, то провод потребуется минимум 9 мм.
Впрочем, внимательный и сведущий читатель, заметит, а почему бы не увеличить напряжение, а не ток. Но, вынуждены вас расстроить, тут тоже есть свои границы. Например, зарядка по уже известной многим технологии быстрого заряда Quick Charge 3.0 проводится при напряжении 20 В (собственно, в этом и весь секрет технологии – повышенное напряжение), но напряжение порядка, скажем, 200 В не выдержит ни один современный мобильный девайс.
Повышенная износоустойчивость
Несмотря на то, что современные аккумуляторы не имеют такого недостатка как "эффект памяти", они, тем не менее, с годами ухудшают свои характеристики, и если изначально девайс может проработать на одном заряде сутки – 24 часа, то через пару лет этот показатель может снизиться до 12 часов. После двух лет эксплуатации аккумулятор будет "стареть" активнее, девайс будет работать все меньше и меньше на одном заряде.
При этом важно отметить, что литий-ионные аккумуляторы стареют, даже если не используются, это значит, что если вы покупаете смартфон, который пролежал на витрине уже год, значит "срок годности" аккумулятора составляет не как у нового смартфона – 2 года, а всего лишь год.
Вот почему проблема износоустойчивости тоже занимает сегодня ученых. Довольно интересное решение данного вопроса выдвинула команда Стэнфордского университета – ученые предложили покрывать аккумуляторы специальным полимерным материалом, в котором, в том числе, содержатся наночастицы графита. Дело в том, что одна из причин старения аккумуляторов - образование на электродах микротрещин, а полимерный материал сможет защитить электроды от них – трещины будут появляться на самом покрытии, однако в силу определенных его свойств, они будут затягиваться самостоятельно (похожая технология была применена в корпусе смартфона LG G Flex).
К сожалению, почему-то данная технология, придуманная еще в 2013 году, не была замечена производителями мобильных устройств и никаких разработок по ней по-прежнему не ведется. Впрочем, такое положение дел объяснимо - компании, выпускающие мобильные девайсы, ежегодно представляют новые флагманы и, конечно, заинтересованы в том, чтобы каждый год пользователи меняли смартфоны, так зачем же им работать над повышением износоустойчивости аккумуляторов?
Объемные электроды
Еще одна интересная разработка ученых, появившаяся в 2013 году - аккумулятор на объемных элементах. Существующие сегодня литий-ионные аккумуляторы используют плоские электроды, команда же университета штата Иллинойс решила протестировать объёмные структуры. В результате ученым удалось добиться повышения удельной мощности аккумуляторов до 100 мВт/(см*мм), в тот момент, когда в среднем это значение для применяемых сегодня литий-ионных аккумуляторов вдвое меньше.
К сожалению, в статье, представленной учеными, не были даны конкретные характеристики исследуемых аккумуляторов, однако разработкой заинтересовались другие научные сообщества, которые доказали, что технологию можно применить на практике. Но пока никто всерьез не начал заниматься реализацией технологии.
Солнечная энергия
Солнце как источник энергии давно привлекает ученых и солнечные батареи уже применяются в некоторых областях, однако в мобильной технике, пока еще ничего подобного реализовано не было, хотя проекты, как вы уже, наверно, догадались, имеются. Один из самых интересных проектов был представлен учеными университета штата Мичиган, их идея заключалась в том, чтобы встраивать солнечные панели непосредственно в экран мобильного устройства. Ученым при этом пришлось справиться с одной очень важной проблемой - так как принцип работы панелей заключается в поглощении ими солнечного излучения, а экраны должны быть прозрачными, исследователи разработали специальные панели из особенного материала, которые работают только с невидимым спектром – инфракрасным и ультрафиолетовым излучениями. В результате получился следующий механизм – разработанные учеными панели поглощали невидимое излучение, а затем фотоны после отражений от широких граней стекла, поглощались узкими полосами панелей обычного типа, которые размещались по краям.
Основной проблемой предложенного метода был низкий КПД, если традиционные панели выдавали КПД 25%, то здесь приходилось иметь дело с 1%. В настоящий момент ученые работают над увеличением данного показателя, при этом известно, что "яблочный" гигант Apple также заинтересовался данной технологией и даже выпустил ряд патентов в этом направлении, так что есть все основания полагать, что у нее есть будущее.
"Одноразовые" аккумуляторы
Многие ученые, занимающиеся вопросами создания оптимального аккумулятора, смотрят на вопрос кардинально. Они предлагают не развивать существующие перезаряжаемые аккумуляторы, а использовать одноразовые батареи, однако речь о не совсем обычных батареях, а о тех, которые могут работать без подзарядки несколько лет. Нет, это не сказки, реальные разработки в этом вопросе уже существуют. Ученые из университета Миссури предлагают применять, так называемые РИТЭГ, что расшифровывается как радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Принцип действия этих батарей основан на преобразовании тепла, которое выделяется при радиораспаде в электричество. Звучит страшно, но на самом деле подобные вещи уже давно используются даже в медицине, а именно в кардиостимуляторах, правда, пока такая практика реализована только в США.
Примечательно, что работа над РИТЭГ элементами ведется еще с 2009 года и создано ряд удачных прототипов, однако главная проблема данных элементов – их дороговизна, а потому мы вряд ли скоро увидим их в мобильных устройствах. Еще одна проблема – ряд стран имеет ограничение на оборот радиоактивных элементов.
Впрочем, РИТЭГ – не единственный вариант одноразовой долгосрочной батареи, еще одна неплохая идея – водородный элемент, но и эта идея, конечно, не лишена проблем. Водородные элементы в разы менее долговечны РИТЭГ элементов, а потому, время от времени, их придется менять, что не очень удобно. Однако имеется информация, что Apple работает над специальной системой дозаправки водородных элементов без замены, это, конечно, тоже принесет пользователям определенные хлопоты, но, так или иначе, процесс заряда таким образом будет идти куда быстрее, чем сегодня.
Эволюция с графеном
В 2012 году ученые впервые сообщили о том, что на базе графена возможно разработать аккумулятор с высокой емкостью, а сегодня уже ведется строительство первого завода по выпуску графеновых батарей, правда, данный завод планирует выпускать графеновые батареи для электромобилей. Однако, даже несмотря на то, что завод уже открыт, неизвестно, когда будет выпущен первый графеновый аккумулятор, и какими параметрами он будет обладать, правда, есть данные, что концерн Volkswagen окажется среди клиентов завода, и на графеновых аккумуляторах в 2018 году выпустит автомобиль, который сможет проехать 700 км от одного заряда.
Что касается использования графеновых аккумуляторов в мобильных девайсах, основная проблема здесь – их размеры, они получаются довольно габаритными. Впрочем, есть основания полагать, что если вопрос с размерами будет решен, графеновые аккумуляторы могут стать частью мобильных устройств, ведь, кроме повышенной емкости и быстрой зарядки, они еще и дешевы, их выпуск обходится примерно в четыре раза дешевле, чем выпуск литий-ионных батарей.
Итоги
Итак, как видите, проблем у ученых, которые занимаются развитием аккумуляторов для мобильной техники, не мало, и у каждой идеи – своя, уникальная проблема. Можно ли решить эти проблемы? Пожалуй, да, но на все нужно время. Тут и там мы в последнее время встречаем сообщения о революционных аккумуляторах и ждем, что, пусть не сегодня, но завтра, мы уже увидим на рынке батареи для смартфонов и планшетов, которые будут заряжаться в считанные минуты, при этом на одном заряде они смогут работать неделями. Однако любой научный труд, любая новая технология нуждается в многочисленных проверках и проведении ряда экспериментов для оценки применения ее на практике. И даже если технология успешно справится со всеми испытаниями, требуется длительный промежуток времени, чтобы наладить производство. Для примера, используемые сегодня литий-ионные аккумуляторы "превращались" из прототипов в реальные устройства в течение пяти лет. Все это значит, что нам необходимо не завышать ожидания и запастись терпением, не ждать, что новые революционные аккумуляторы появятся как по взмаху волшебной палочки, не жаловаться на то, что вот, мол, обещали, да все никак. Работы в данном направлении ведутся, и, как видите, в большом объеме и ученые жаждут прорыва не меньше, чем обычные пользователи.
