12.05.2015

Индустрия на пороге устранения узкого места в развитии электроники — батарей и аккумуляторов

Компьютерная индустрия до сих пор фокусировалась на размерах и функциях мобильных устройств и, наконец, уперлась в способность элементов питания обеспечить их нормальное использование. Прорывов в области батарей не было с начала 1990-х, со времен литий-ионной технологии. Потребовалось изменение взгляда на мобильные устройства и появление отдельной их ветви, чтобы этот прорыв назрел. Что же мы имеем на пороге теперь.

Одним из первых с узким местом элементов питания столкнулся Илон Маск, который взял на себя сверхамбициозную задачу по переводу всей планеты на экологически чистые электромобили. Несмотря на то что Tesla Model S способна проехать 426 км от одной зарядки своего аккумулятора на 85 кВтч, она все еще остается дорогой городской игрушкой. Однако Маск, как никто другой, близок к тому, чтобы изменить мир. Он готовится к массовому выпуску бюджетных Tesla и запускает огромную фабрику литий-ионных аккумуляторов Tesla Gigafactory 1, в которую вложился такой известный игрок на этом рынке, как Panasonic. Из устаревающей литий-ионной технологии собираются выжать все соки и снизить стоимость батарей на 30%, а запас хода Tesla на них будет увеличен до 644 км от одной подзарядки, и это будет сделано уже к 2017 году.

Tesla Gigafactory 1 в Неваде будет производить батареи мощностью 35 ГВт в год и обеспечит выпуск 500 тыс. электромобилей в год. Сама фабрика будет обеспечивать себя электроэнергией от солнечных батарей.

Маска волнует рост выбросов СО₂ на планете, и 2 мая он представил свой новый продукт Tesla Powerwall — аккумулятор для дома емкостью 10 кВтч, который способен обеспечить резервным питанием современную городскую квартиру в течение суток. Заряжается Powerwall от солнечных батарей, разработанных с учетом суточного цикла, требований эффективности и компактности. Несмотря на высокую стоимость — $3,5 тыс., — мировая аудитория уже оценила новинку и оставила предзаказы на 38 тыс. устройств, то есть на $133 млн, что говорит о готовности рынка к глобальным энергетическим изменениям.

Google также столкнулась с проблемой элементов питания, емкость и размер которых критически важны для Android-смартфонов, а еще больше для «умных» часов Google Glass, дронов, электромобилей, медицинских нанороботов и других передовых разработок компании. Бывший эксперт Apple по элементам питания доктор Рамеш Бхардваж сперва тестировал со своей группой батарейки других производителей, а потом пришел к выводу, что надо разрабатывать свои собственные. Бхардваж говорит, что у Google по крайней мере 20 проектов, которые зависят от развития технологий элементов питания.

Твердотельные пленочные элементы питания обещают большие преимущества в размере и придании им любой формы, что важно для миниатюрных носимых устройств, но непонятно, удастся ли сделать их дешевыми при массовом производстве. В лаборатории Google X Бхардваж старается развить эту технологию, а также более традиционные литий-ионные батареи, чтобы сделать их более приемлемыми для Google Glass и измеряющих уровень глюкозы контактных линз. Для очков батареи можно будет сделать более мощными, чтобы обеспечить, например, проигрывание видео на них, для линз — использовать более безопасные материалы, которые не могут возгореться.

Другие группы Google работают с технологиями AllCell Technologies для улучшения элементов питания, например, для проекта Loon, стратосферных дирижаблей, предназначенных для ретрансляции беспроводного интернета. Из-за низких температур обычные литий-ионные батареи в них неприменимы. Их оборачивают в графен и воск для лучшего рассеивания тепла, что позволяет продлить срок их жизни.

Другим путем развития является изменение не емкости батарей, а скорости их перезарядки и долговечности. Ведь если батарея будет восстанавливать заряд почти мгновенно, то уже не так критически важно, сколько часов без подзарядки может работать устройство. Научная группа в Стэндфордском университете работает над сверхбыстро перезаряжаемыми алюминиево-ионными аккумуляторами, которые еще и очень дешевы в производстве из-за относительно невысокой стоимости алюминия, а также безопасны и не взрываются, даже если просверлить батарейку насквозь.

Профессор Хонгжие Дай говорит, что алюминиево-ионные батареи пытаются разработать уже довольно давно, но никак не удавалось найти подходящий материал для катода. Его группе случайно удалось обнаружить такой материал в лице графита. Жидкий электролит в такой батарее почти полностью состоит из солей, а реакция идет при комнатной температуре, поэтому эти элементы питания безопасны.

Разработчики также говорят о сверхбыстрой перезарядке батарей, до 1 минуты, и 7500 циклах перезарядки без потери мощности в сравнении с 100 у обычных литий-ионных батарей. Алюминиевую батарею также можно гнуть, что открывает ей большие перспективы применения в носимых устройствах.

К сожалению, пока алюминиевые батареи обладают низким напряжением (до 2 В, что, однако, уже позволяет заменить миллионы экологически вредных щелочных пальчиковых батареек) и в разы меньшей плотностью хранения энергии на килограмм веса. Однако профессор Дай уверен, что эти ограничения скоро удастся преодолеть.

Израильский стартап StoreDot, в который вложился Роман Абрамович, делает ставку на рынок автомобильных батарей. Компания говорит об улучшении всех важнейших характеристик элементов питания: размеров, времени жизни, скорости перезарядки и, конечно же, стоимости производства. В 2014 году на поддерживаемой Microsoft конференции ThinkNext директор стартапа пообещал показать в 2015 году прототип, заряжающий современный смартфон с нуля до 100% за минуты. На ThinkNext 2015 смартфон действительно был заряжен за две минуты. В 2016 году компания покажет уже перезарядку электромобиля типа Tesla Model S с нуля до 100% за пять минут.

Элементы питания основаны на нанотрубках, способных быстро отдавать и накапливать энергию, и биохимической реакции расщепления и синтеза пептидов (соединения аминокислот). 5 таких энергоячеек позволяют зарядить за минуты смартфон, 7 тыс. ячеек смогут зарядить за минуты автомобиль. Производители обещают снижение стоимости эксплуатации электромобиля за счет своей технологии на 50% в расчете на милю в сравнении с другими электромобилями.

С заявлениями TAG Heuer и Swatch о том, что смартфоны открывают новые возможности для швейцарских часовщиков, и о выпуске собственных «умных» часов стало окончательно ясно, что эра «умных» часов пришла. Однако Apple в этот раз не смогла выбрать самый лучший момент для выхода на этот рынок, хоть и наделала много шуму.

Причиной этого, конечно же, стало несовершенство технологий элементов питания. Неудивительно, что CEO Swatch Ник Хайек заявляет о разработке собственного элемента питания и выходе на рынок автомобильных батарей. Swatch — один из крупнейших производителей часов в мире со штатом более 35 тыс. сотрудников, ему принадлежат такие известные марки, как Breguet, Omega, Longines, Tissot и другие, так что масштабы вполне позволяют говорить об этом серьезно.

Будущие «умные» часы будут оснащены NFC для осуществления мобильных платежей одним касанием, Bluetooth для получения уведомлений со смартфона и стоить около $160. На подходе другие разнообразные модели. Если сейчас «умные» часы держат заряд один день, то в скором времени их элементы питания смогут обеспечить работу без подзарядки в течение шести месяцев. Swatch говорит о разработке батарей, обладающих куда большей емкостью, чем литий-ионные, которыми обязательно заинтересуется автомобильная индустрия.

Алексей Короткин

Источники:

1. gazeta.ru