Эта музыка будет вечной, или Ждёт ли нас аккумуляторная революция

За последние несколько лет мы увидели революционные изменения в производительности мобильных устройств, а также в качестве экранов и других ключевых областях того, что принято называть красивым словом «юзабилити». Увы, этот прогресс практически не коснулся одного из ключевых компонентов любого гаджета — аккумулятора. В результате типичный современный смартфон в лучшем случае работает от аккумулятора около суток, в худшем — не дотягивает и до конца рабочего дня.

Разумеется, аккумуляторы тоже совершенствуются, хоть и медленно. За счёт этих усовершенствований (в первую очередь — более плотной упаковки элементов) производителям удалось повысить энергетическую плотность аккумуляторов, так что современная батарея ёмкостью 5 Вт-ч имеет практически такие же габариты, как аккумулятор ёмкостью 2.5 Вт-ч десять лет назад. Если в начале 2000-х годов типичная ёмкость аккумулятора в мобильном телефоне составляла менее 3 Вт-ч, то сегодня ёмкость аккумулятора типичного смартфона составляет порядка 6 Вт-ч, в отдельных случаях — 10-12 Вт-ч. Однако среднее время автономной работы телефона при этом сократилось с 4-7 до 1-2 дней. Это связано с тем, что средняя ёмкость аккумулятора выросла в разы, а энергопотребление — в десятки раз.

Аккумулятор Samsung Galaxy S4 имеет ёмкость 9.88 Вт-ч

Отсутствие новых технологий производства аккумуляторов связано сразу с несколькими факторами.

Во-первых, очень сложно создать аккумулятор, который имел бы высокую энергетическую плотность, длительный срок службы и при этом был бы безопасным. Даже широко распространённые сегодня литиево-ионные батареи являются своего рода «пороховой бочкой». Усилия производителей по повышению энергетической плотности аккумуляторов приводят к тому, что они становятся по-настоящему опасными. Например, отказ от жёсткой оболочки отдельных ячеек позволил повысить ёмкость аккумуляторов, но сделал их более «взрывоопасными» и уязвимыми к механическим воздействиям.

Во-вторых, даже если новая технология будет создана, её коммерциализация может растянуться на несколько лет. К тому же возникает своего рода замкнутый круг: чтобы выйти на рынок, новой технологии нужна будет поддержка крупных игроков (таких как Apple или Samsung), однако крупные игроки, скорее всего, будут заинтересованы в новой технологии только в том случае, если она хорошо себя зарекомендует.

Несмотря на это, работы по усовершенствованию литиево-ионных аккумуляторов ведутся. Сейчас в литиево-ионных аккумуляторах используются электроды из графита. Замена графитовых электродов на кремниевые или германиевые позволила бы увеличить ёмкость буквально в разы.

Однако графит в своё время был выбран не просто так: дело в том, что литиево-ионные аккумуляторы сильно нагреваются во время зарядки, а графит практически не подвержен тепловым деформациям и обеспечивает длительный срок службы батареи. Кремний и германий очень сильно расширяются при нагреве, что приводит к механическому разрушению электродов и быстрому выходу аккумулятора из строя. Учёные из университета Лимерика (Ирландия) разработали прототипы аккумуляторов, в которых в качестве анода используются пучки германиевых проводов нанометровой толщины, которые не разрушаются при нагреве. Похожую технологию, но с использованием кремния, запатентовала британская компания Nexeon.

Но в целом в индустрии царит скептицизм относительно перспектив различного рода «прорывов» в производстве аккумуляторов. Например, Тони Фейделл, CEO компании Nest и бывший сотрудник Apple, известный как «отец iPod», в комментарии газете New York Times заявил, что «ожидать и надеяться на новые технологии аккумуляторов — это пустая затея». По его мнению, правильный подход к увеличению времени автономной работы заключается в постепенном инкрементальном усовершенствовании аккумуляторов и снижении энергопотребления других компонентов.

Лично я склонен согласиться с этим тезисом, тем более что у всех нас перед глазами позитивный пример Intel — компании, которая за последние несколько лет сумела радикально снизить энергопотребление своих процессоров, в результате чего ноутбуки на базе процессоров Haswell при равной ёмкости аккумулятора работают в полтора-два раза дольше, чем аналогичные ноутбуки на базе Ivy Bridge или Sandy Bridge.

Ещё острее вопрос аккумуляторов стоит для различного рода носимых устройств: от умных часов до фитнес-браслетов и медицинских датчиков. Даже у лучших образцов заявленное время автономной работы составляет 5-6 дней (как гласит известная шутка, «инженеры Casio умерли от хохота»). Полнофункциональные «умные часы» типа первой версии Samsung Galaxy Gear работают от аккумулятора 1-2 дня, а для подзарядки им нужна специальная «док-станция» — и то, и другое явно не вызывает особого энтузиазма у потребителей.

Решение может крыться не столько в новых технологиях производства аккумуляторов, сколько в новых способах получения энергии. Например, учёные из университета штата Вашингтон (США) недавно опубликовали работу, в которой рассматривалась возможность использования электромагнитного излучения различных передатчиков (от базовых станций сетей мобильной связи до точек доступа Wi-Fi) для питания медицинских датчиков. А в Оклендском унивеситете (Новая Зеландия) сейчас разрабатывают устройства, использующие для питания носимых гаджетов кинетическую энергию движения человека. К слову, подобный принцип давно уже применяется в механических часах с автоподзаводом. Кроме того, из обычных часов в «умные» может прийти и солнечная подзарядка — с этой целью может использоваться отдельный слой на сенсорном экране. По слухам, над подобной технологией для своих «умных часов» работает Apple.

В целом, отвечая на вынесенный в заголовок вопрос, стоит признать, что никакой революции в энергообеспечении наших гаджетов в ближайшее время не предвидится. Остаётся надеяться, что те небольшие последовательные шаги, о которых говорит Тони Фейделл, со временем приведут к тому, что нам не надо будет брать с собой зарядное устройство для телефона, выходя утром из дома.