Кремній-вуглецеві акумулятори як альтернатива Li-Ion та Li-Pol у смартфонах

Ринок мобільних гаджетів с кожним роком стрімко розвивається. Покращуються камери, пропонуються все новіші потужні процесори, впроваджуються функції штучного інтелекту тощо. Однак однією з головних вимог з боку користувачів залишаються надійні батареї зі швидким циклом зарядки і високою ємністю.

І хоча поки у більшості смартфонів досі використовуються літій-іонні та літій-полімерні батареї із максимальною ємністю близько 5000 мАгод, цього зазвичай доводиться досягати шляхом збільшення габаритів акумулятора, жертвуючи або якимись окремими функціональними модулями. Або треба збільшувати розміри та вагу самого мобільного пристрою.

Протевже цього року у цьому питанні очікуються значні зрушення, оскільки на заміну Li-Ion та Li-Pol-батареям поступово почнуть приходити кремній-вуглецеві акумулятори (Si-C). У чому ж полягає їхня перевага та що перешкоджає їхньому масовому стрімкому впровадженню? Розберімо це все детальніше.

Конструктивні відмінності

Варто почати з того, що самі по собі літій-іонні акумулятори складаються з алюмінієвого катода та мідного анода. Катод зазвичай покривають оксидом кобальту та літію, а анод — тонким шаром графіту. Між катодом і анодом розміщується електроліт, що пропускає іони літію, які вільно переміщуються між ними у процесі заряджання-розряджання.

Принциповою відмінністю Li-Ion та Li-Pol батарей є цей самий електроліт. Якщо в літій-іонних батареях він становить собою пористий сепаратор з просоченням з електроліту, то у літій-полімерних — це спеціальний електроліт на основі полімерів.

Конструктивно вся відмінність Si-C-акумуляторів від традиційних Li-Ion та Li-Pol батарей полягає в аноді, вкритому шаром з наноструктурованого кремній-вуглецевого композитного матеріалу.

Протягом багатьох десятиліть аноди з графітовим покриттям були свого роду чимось на кшталт стандарту, але зовсім не тому, що були такими досконалими, просто тривалий час не вдавалось знайти гідної альтернативи, яка б стабільно працювала і була б настільки ж універсальною.

Проте кремній здатний утримувати у 10 разів більше іонів літію, ніж графіт. Щільність енергії такого акумулятора може досягати до 4200 мА·г/г проти 372 мА·г/г у графітового. Це дозволяє суттєво збільшити ємність батареї, не збільшуючи її розмірів, або ж розробити компактний акумулятор, не зменшуючи ємності.

Першими технологію кремній-вуглецевих акумуляторів запропонували розробники зі Стенфордського університету ще у 2008 році. Однак була одна істотна проблема. Кремнієве покриття на аноді при поглинанні іонів літію під час зарядки збільшувалось у об’ємі до 400%, а потім стискалось під час розрядки, що призводило до швидкого руйнування структури і не дозволяло створити надійно працюючий акумулятор.

Цю проблему вдалось вирішити завдяки додаванню до кремнію стійких до руйнування вуглецевих наноструктур.

Піонери нової технології

Однак лише у 2020 році розробникам з китайської компанії Honor вдалось наблизитись до комерційного використання таких акумуляторів.

У рамках тестування перше покоління Si-C-акумуляторів було встановлене у модель смартфона Honor Magic 5 Pro. Її випустили лише для китайського ринку із ємністю 5450 мАгод, тоді як для продажу до інших країн ця ж модель отримала літій-полімерну батарею ємністю 5100 мАгод.

У 2024 році Honor випустила модель Magic 6 Pro, представивши друге покоління кремній-вуглецевих акумуляторів з ємністю 5600 мАгод та також модель HONOR 200 Pro з Si-C-акумулятором ємністю 5200 мАгод. Коштом високої ємності смартфони вдалось зробити доволі тонкими, а також забезпечити їх додатковою потужністю для швидкої зарядки.

Окрім цього розробники заявили, що їхні Si-C-акумулятори здатні не втрачати заряд навіть за температури до — 20 С°. Головною ж перевагою цих батарей виявилось збільшення питомої ємності на 20% порівняно із літій-іонними та літій-полімерними аналогами.

Вслід за Honor Si-C-акумулятори на моделі своїх смартфонів почала встановлювати ще одна китайська компанія Xiaomi. Так новий Redmi Turbo 4 отримав батарею із ємністю 6550 мАгод.

Чого очікувати далі

За інформацією інсайдерів, переход на Si-C-акумулятори також розглядають в Apple та Samsung. Зокрема, ходять чутки, що у Samsung вже активно працюють над разробкою батарей цього типу, хоча терміни появи їх у нових моделях бренду залишаються невідомими.

Вуглецеві наноструктури також сприяють збереженню стабільної роботи батареї, запобігаючи деградації навіть за екстремальних температур від — 20 С° до 45 С°, що в теорії дозволяє подовжити ресурс її працездатності щонайменше до 4-5 років. Ці елементи живлення не тільки краще переносять низькі температури, але й забезпечують підвищену безпеку коштом меншого нагріву при активному використанні, та особливо під час заряджання.

Ще однією важливою перевагою кремнієво-вуглецевих акумуляторів є підтримка надшвидкої зарядки потужністю до 60 Вт на один елемент.

Наразі серед головних недоліків Si-C-акумуляторів, ймовірно, виявиться ціна на смартфони, оснащені ними, оскільки у найближчі роки вони з’являтимуться переважно у флагманських гаджетах. Honor та інші компанії, які запатентували кремнієво-вуглецеві акумулятори для смартфонів, встановили високі ліцензійні збори за використання цієї технології. Тож доведеться, певно набратись терпіння, поки ці акумулятори з’являться у більш бюджетних гаджетах.