Плюсы и минусы кремний-углеродных аккумуляторов
Изображение: KanawatTH/Shutterstock.com
В феврале 2024 года китайская компания Honor представила широкой общественности подробности о новых смартфонах Magic 6 и Magic 6 Pro. Одно из основных новшеств, применяемых в гаджетах, — новый тип аккумуляторной батареи, обладающей улучшенными техническими характеристиками. В частности, утверждается, что батарея морозоустойчива, то есть позволит избежать быстрого разряда смартфона в случае его использования при серьезных минусовых температурах. Этого удалось достичь благодаря кремний-углеродному аккумулятору.
Устройства с такими батареями обладают большей номинальной емкостью (например, у Magic 6 Pro она составляет 5600 мА•ч), меньше в размерах, быстрее заряжаются, меньше нагреваются и значительно лучше работают при низких температурах окружающей среды. В частности, в рамках экспериментальных тестов Magic 6 Pro был помещен в криокамеру (при температуре –20 °С) и проработал 13 часов в режиме использования смартфона для просмотра видеофайлов.
Стоит отметить, что смартфоны Magic 6 и Magic 6 Pro, официально представленные миру в рамках выставки MWC-2024, оснащены уже вторым поколением новых кремний-углеродных аккумуляторов. Первое поколение китайцы протестировали годом ранее: в 2023 году был представлен смартфон Magic 5 Pro с емкостью батареи 5450 мА•ч. Он предназначался исключительно для китайского рынка, тогда как такой же смартфон для других регионов поставлялся с классической литий-ионной батареей емкостью 5100 мА•ч.
Сегодня попробуем разобраться, откуда вдруг появились кремний-углеродные батареи, так ли внезапно это произошло, как многим кажется, являются ли они прорывной технологией и чем отличаются от обычных литий-ионных аккумуляторов?
Новая технология
Когда мы говорим о кремний-углеродных аккумуляторах, то подразумеваем разновидность литий-ионных аккумуляторов, чей анод выполнен из кремний-углеродного наноструктурированного композитного материала вместо графита, который используется в большинстве современных литий-ионных батарей. При этом катод, как и прежде, изготовлен из литийсодержащих материалов, например, оксидов лития-кобальта или лития-марганца.
Безусловно, аккумуляторы, представленные Honor, не появились из ниоткуда. Технологическая база, за счет которой их появление в массовом сегменте потребительской техники стало возможным, разрабатывалась десятилетиями. Первые серьезные попытки заменить графитовый анод кремниевым предпринимались еще в 2000-х. В частности, о научных изысканиях в этой области сообщали исследователи из Стэнфордского университета в 2007 году и их коллеги из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США в 2012 году. За счет способности кремния удерживать в 11 раз больше лития, чем графит, потенциал технологии вынуждал ученых проводить эксперименты один за другим. Вскоре стало ясно, что чистый кремний для этого не подходит из-за повреждений, образующихся в результате изменения объема материала до 300% в процессе эксплуатации (внедрения и экстракции ионов лития).
Аккумуляторы, используемые Honor, разработаны ими совместно с Amperex Technology Ltd. и Group14 Technologies. Как уже было сказано, от классических литий-ионных аккумуляторов они отличаются кремний-углеродным анодом вместо графитового, в то время как в остальном структуры батарей схожи. В процессе заряда аккумулятора ионы лития перемещаются от одного электрода к другому, при разряде происходит обратный процесс. Но не стоит забывать, что в аккумуляторе анод (электрод, на котором протекают окислительные процессы) и катод (электрод, на котором протекают восстановительные процессы) меняются местами в зависимости от режима работы, из-за чего может возникать путаница в определениях. В некоторых случаях удобнее использовать термины положительный электрод и отрицательный электрод. Тогда при заряде аккумулятора положительный электрод будет выступать в роли анода, а отрицательный — катода. При разряде батареи положительный электрод станет катодом, а отрицательный — анодом, что соответствует определениям ГОСТ 15596-82 («Источники тока химические. Термины и определения»).
В силу определенных физических ограничений технология литий-ионных аккумуляторов давно достигла своего пика в контексте энергетической плотности, поэтому повышать емкость аккумуляторов удавалось в основном за счет увеличения их размеров, нередко, в ущерб другим компонентам смартфона. Ее пытались улучшить с помощью различных производных лития в катоде, а также разных материалов в аноде. В итоге инженеры Honor остановились на кремний-углеродном материале. Основные принципы работы аккумулятора не изменились, но благодаря новой структуре, способной удерживать больше ионов лития, удалось добиться значительного улучшения различных свойств батареи.
В новом типе аккумуляторов наночастицы кремния встроены в наноуглеродную структуру с пустотами, поэтому удается избежать проблем с растрескиванием и отслаиванием материала в процессе зарядки-разрядки аккумулятора. Согласно рекламным заявлениям, номинальная емкость нового типа аккумуляторов в среднем на 12,8% выше, чем у аналогов. Если сравнивать непосредственно емкости батарей рыночных версий Honor Magic 5 Pro с разными аккумуляторами, то речь идет о 6,8% прироста. В то же время после падения напряжения до 3,5 В преимущество кремний-углеродных батарей становится значительно более явным — их емкость в такой ситуации выше на 240%. Не менее важно и то, что толщина рабочих образцов кремний-углеродный батарей Honor емкостью 10 000 мА•ч составляет лишь несколько миллиметров.
Достоинства
Благодаря более высокому значению максимальной теоретической удельной емкости кремния (4200 мА•ч/г), использование батарей на базе кремний-углеродных соединений вместо графитовых (372 мА•ч/г) открывает широкие возможности перед производителями. Теперь они могут выбирать между более легким и компактным гаджетом с той же емкостью аккумулятора, что и раньше, и таким же по размерам устройством, но с повышенной емкостью батареи. Как показывают представленные в 2023–2024 годах первые смартфоны с новыми аккумуляторами, пока что удалось повысить номинальную емкость лишь на ~7%. Однако в случае использования смартфона в специфических условиях эта цифра может быть в десятки раз больше. Морозоустойчивость новых смартфонов связана именно с этими особенностями работы аккумуляторов. Причем новые батареи не только морозоустойчивы, но и более безопасны, так как кремний-углеродная структура слабее нагревается в процессе активного использования и зарядки аккумулятора. Кроме того, лабораторные тесты подтверждают, что аккумуляторы нового типа более устойчивы к износу в сравнении со своими предшественниками и с течением времени не так сильно теряют первоначальную емкость.
Каждый из нас сталкивался с тем, что буквально на второй год эксплуататции нового смартфона, он начинает держать заряд гораздо меньше, чем сразу после покупки. Это связано с постепенным снижением первоначальной емкости литий-ионных аккумуляторов: грубо говоря, в начале эксплуатации было 3500 мА•ч, а через полтора года максимальная доступная емкость снизилась, допустим, до 2500 мА•ч. Реальные цифры разнятся от телефона к телефону, поскольку зависят от технических характеристик аккумулятора и особенностей программных алгоритмов, отвечающих за оптимизированное использование батареи операционной системой смартфона. Но общее правило формулируется просто: со временем батареи гаджетов становятся менее емкими и быстрее теряют заряд. Причем, чем ниже уровень заряда, тем быстрее он расходуется. Если сразу после покупки при уровне в 10% вполне реально пользоваться смартфоном еще несколько часов, то через два-три года остаток в 10% — это своеобразный красный флаг, устройство совсем скоро разрядится. Мы считаем все это очевидным, понятным и не требующим переоценки, мало задумываясь о том, можно ли минимизировать подобные явления или вовсе избавиться от них. Оказывается, можно. По крайней мере, если верить экспериментам инженеров, разработавших новый тип аккумуляторов, запас прочности кремний-углеродных батарей может составлять до пяти-семи лет против типичных двух-трех лет сегодня. Это довольно важный момент, так как топовые модели смартфонов достаточно работоспособны даже через два-три года эксплуатации, за которые успевает прийти в негодность оригинальный аккумулятор. После чего лишь незначительная часть пользователей меняет аккумулятор на новый, остальные же приобретают новый смартфон. Если стандартная батарея будет жить в течение пяти лет, ситуация станет более благоприятной для пользователя. Однако сам производитель может оказаться в противоречивом положении, ведь в результате этого он лишит себя определенной доли продаж. В любом случае говорить о реальном сроке эксплуатации новых батарей пока преждевременно — придется подождать еще несколько лет. Не удивлюсь, если разработчики все же заложили какие-то возможности для активации запланированного устаревания, как сейчас, к сожалению, принято.
Недостатки
На данный момент недостаточно данных об использовании гаджетов с этим типом батарей, поэтому о недостатках судить так же сложно, как и о достоинствах. Очевидно, что на минусах технологии производители не будут акцентировать наше с вами внимание, а информации от обычных пользователей все еще мало в силу естественных причин. Сегодня с определенной долей уверенности можно говорить только о высокой стоимости новых аккумуляторов, как о главном недостатке технологии. Безусловно, производство батарей с использованием новых материалов обходится вендору дороже и это сказывается на конечной цене для потребителя. Официальная стоимость Honor Magic 6 Pro в российских сетевых магазинах составляет примерно 110 тысяч рублей за версию с 12 Гбайт оперативной памяти и 512 Гбайт постоянной. Впрочем, какая доля ценника приходится именно на батарею — неизвестно.
Выводы
Пока не очень ясно, можно ли назвать эту технологию существенным движением вперед в области аккумуляторных устройств. Дело в том, что прирост номинальной емкости на 7–12% — это, конечно, очень хорошо, но на прорыв, по-моему, не тянет. Также непонятно, во сколько денежных знаков такой прирост обходится покупателю. Что касается остальных рекламных утверждений, в том числе об их морозоустойчивости и износостойкости, они требуют подтверждения независимыми источниками на практике. Кроме того, успех и популярность новых кремний-углеродных аккумуляторов будет зависеть от того, появятся ли они в смартфонах бюджетного и среднего сегментов, ведь флагманы покупают далеко не все. Немаловажный вопрос — подхватят ли эту эстафету другие производители. В то же время, если заявленное на презентациях и в буклетах соответствует действительности, а новые аккумуляторы в реальности будут сохранять первоначальную номинальную емкость (или близкую к ней) в течение, предположим, пяти лет, то это определенно можно будет назвать революцией в данной области.
Опубликовано 24.04.2024