Samsung внедрила кремний-углеродные аккумуляторы в Galaxy Z Fold 8 и Z Fold 8 Ultra для повышения энергоплотности
Новая технология обеспечивает до десятикратного увеличения ёмкости анода по сравнению с графитом, позволяя делать батареи компактнее при большем заряде
Срок службы таких батарей снижен до 1200 циклов зарядки против 2000 у предыдущего поколения литий-ионных элементов
Кремний-углеродные ячейки поддерживают более быструю зарядку, а сам кремний дёшев и доступен, что ускоряет распространение технологии в смартфонах
За последние несколько лет всё больше смартфонов получают кремний-углеродные батареи. Технология уже закрепилась у крупных китайских производителей — Honor, Oppo и Xiaomi, а теперь к ним присоединилась и Samsung: кремний-углеродные элементы получили сразу три новых устройства — Galaxy Z Fold 8, Z Fold 8 Ultra и Z Flip 8.
Источник изображения — engadget.com
Благодаря этой технологии батареи смартфонов становятся значительно ёмче литий-ионных аналогов — некоторые устройства с кремний-углеродными элементами уже демонстрируют настоящую двухдневную автономность. По мере того как такие элементы становятся стандартом для азиатских брендов, они всё активнее проникают и на другие рынки. Разберёмся, в чём особенность кремний-углеродных батарей, почему они дают такой прирост автономности — и почему за это, возможно, придётся заплатить сроком службы телефона.
Из чего состоит батарея
Батарея состоит из трёх основных частей: анода, катода и электролита между ними. В полностью заряженном состоянии электроны находятся в аноде и постепенно перетекают к катоду. Поток электронов через электролит запускает цепочку электрохимических реакций, которые и выделяют энергию. В элементах, которые используются в смартфонах, электроны можно закачивать обратно в анод многократно — но со временем ёмкость снижается, поскольку электролит постепенно теряет вещества, необходимые для реакций.
Батарею можно представить как водную горку в аквапарке в жаркий день. Сотни детей (электронов) толпятся наверху горки (анод) и хотят как можно быстрее скатиться вниз (катод). Вода на горке (электролит) облегчает скольжение. Дети снова и снова бегут наверх, чтобы прокатиться ещё раз (перезарядка) — но со временем запасы воды заканчиваются, поверхность становится слишком сухой, и горка выходит из строя.
Почему графит исчерпал себя
Подавляющее большинство современных гаджетов — от смартфонов до ноутбуков, электромобилей и домашних накопителей — работают на литий-ионных батареях, которые стали стандартом отрасли за последние два с половиной десятилетия. Их популярность объясняется небольшим весом, высокой энергоёмкостью и способностью выдерживать множество циклов зарядки без значительной деградации. Обычно такой элемент состоит из графитового порошкового анода, катода из литий-фосфата и электролита на основе этиленкарбоната.
По словам доктора Рут Сэйерс, специалиста по химии батарей (ранее работала в Imperial College и Ливерпульском университете, сейчас возглавляет компанию AmpliSI, производящую кремний для кремний-углеродных элементов), последние два десятилетия отрасль в основном совершенствовала катод и электролит литий-ионного элемента. По её словам, «всё остальное уже оптимизировано практически до предела», тогда как графитовый анод остаётся неизменным десятилетиями и превратился в фактор, ограничивающий производительность батареи. Кремний, по её оценке, — главный претендент на замену графиту.
Строго говоря, называть такие элементы «кремний-углеродными батареями» не совсем корректно: катод в них по-прежнему литиевый, а кремний-углеродом заменяется не весь анод целиком — современная физика этого пока не позволяет. На практике в графит, который используется в аноде, просто добавляют небольшую долю кремний-углеродного материала.
Именно так поступила и Samsung. Показательно, что на официальных страницах Galaxy Z Fold 8 и Z Fold 8 Ultra тип батареи по-прежнему указан как «Lithium-ion» — то есть, по определению, принятому в остальной отрасли, речь идёт именно о кремний-углеродной батарее, только формально названной иначе.
По данным Samsung, кремний-углеродная технология позволила увеличить ёмкость батарей в новых складных смартфонах, не увеличивая их габариты. У Galaxy Z Fold 8 установлен аккумулятор на 4800 мА·ч — против 4400 мА·ч у прошлогоднего Fold 7, а Z Fold 8 Ultra получил ещё более крупную батарею на 5000 мА·ч, оставаясь при этом тоньше предшественника. Кремний-углеродные элементы достались и Z Flip 8, хотя в его случае технология в первую очередь позволила уменьшить толщину корпуса, а не нарастить ёмкость. Заодно новые аппараты получили и более быструю зарядку — до 45 Вт по проводу и 20 Вт по беспроводному каналу.
«Добавление кремния — не новость», — объясняет доктор Юхо Хейска, руководитель отдела исследований и разработок Университета прикладных наук Сейняйоки в Финляндии. По его словам, Tesla использует смесь с примерно 3–5% кремния в некоторых батареях типа NCA (никель-кобальт-алюминиевых) как минимум с 2016 года. Изменилось другое: производственные, инженерные и химические процессы усовершенствовались настолько, что теперь можно использовать более высокую долю кремния.
По словам Хейски, многие производители делают ставку на «дроп-ин»-материалы, которые можно встроить в уже существующие производственные линии: например, смешать 75% графита и 25% кремниевого порошка и получить суспензию тем же способом, что и раньше. Тем не менее такие элементы обходятся заметно дороже в производстве, поэтому логично, что дебютируют они именно в смартфонах — цена батареи здесь не так критична, как, например, при сборке аккумулятора для электромобиля.
Больше энергии — короче срок службы
Samsung — пожалуй, крупнейший производитель смартфонов, перешедший на кремний-углеродные элементы, но подходит к этому осторожно: компания не стремится к сверхъёмким батареям, как у некоторых китайских конкурентов, а использует кремний в первую очередь для того, чтобы уменьшить габариты аккумулятора при сохранении заряда. При этом, судя по документам, поданным в ЕС, новые элементы служат заметно меньше предшественников: их ресурс оценивается в 1200 циклов зарядки против 2000 у литий-ионных батарей прошлого поколения.
Причина такого компромисса — в самой химии. «Ёмкость графита — около 330 мА·ч на грамм, — поясняет доктор Сэйерс, — а у кремния она в десять раз выше». При этом электрохимическая реакция в кремний-углеродной батарее отличается от классической литий-ионной: это, по её словам, реакция сплавления, при которой литий соединяется с кремнием, образуя литий-кремниевые соединения. Чем больше лития удаётся «уместить» в такой структуре, тем выше итоговая ёмкость.
Больший заряд на единицу веса означает, что батарею можно сделать меньше по объёму, не теряя в ёмкости — именно поэтому аккумуляторы смартфонов в последние годы резко «потяжелели» по заряду, но не стали толще, как это было десять с лишним лет назад. Например, флагман OnePlus 15 лишь на миллиметр-два толще iPhone 17, но при этом несёт батарею на 7300 мА·ч и в тестах на разрядку продержался порядка 38,5 часа.
Большая ёмкость идёт рука об руку и с более быстрой зарядкой. «Одна из причин, по которой графитовые батареи нельзя заряжать очень быстро, — ионы лития просто не успевают проникать между слоями графита», — говорит Хейска. Кремний же заряжается быстрее и «литируется» первым, поэтому напрямую помогает ускорить процесс.
Ещё один плюс кремния — его дешевизна и доступность: сырьё не привязано к тем же геополитическим рискам, что некоторые другие материалы для батарей, а это снижает издержки и упрощает масштабирование производства.
- Плюсы: заметно выше ёмкость на единицу объёма, более быстрая зарядка, дешёвое и доступное сырьё
- Минусы: сокращённый ресурс по циклам зарядки, более высокая себестоимость производства, риск деформации ячейки при использовании
У технологии есть и обратная сторона. «Кремний-углеродные батареи дают чуть лучшую скорость зарядки и чуть большую ёмкость, — говорит Хейска, — но взамен вы получаете чуть более короткий срок службы элемента». Дело в том, что при добавлении заряда материал деформируется и увеличивается в размерах — а это плохо сочетается с задачей упаковать батарею в фиксированный корпус смартфона.
Такой деформации подвержены все батареи, но степень расширения зависит от материала: графит увеличивается примерно на 10% за цикл, а кремний — на колоссальные 400%. Именно поэтому пока нет батарей, полностью состоящих из кремния: срок службы такого элемента оказался бы слишком коротким для массового продукта.
«На химическом уровне литий встраивается в кремниевый материал, образуя сплавы лития и кремния, — поясняет доктор Сэйерс. — Можно регулировать, сколько лития и сколько кремния используется» в зависимости от нужного баланса ёмкости и долговечности. Цель разработчиков — подобрать такое соотношение кремния и графита, которое даст ощутимый прирост энергии, но не пожертвует сроком службы батареи.
По словам Хейски, сейчас идут отдельные проекты по улучшению качества кремний-углеродных элементов — в частности, разрабатываются новые производственные процессы и добавки вроде фторфосфатов, которые повышают стабильность ячейки.
Компромисс между ёмкостью и долговечностью батареи делает смартфоны идеальной площадкой для обкатки технологии: производители по-прежнему рассчитывают, что пользователи будут менять устройства каждые несколько лет. При этом если телефон способен продержаться без подзарядки два дня, привычки владельцев вполне могут измениться — заряжать гаджет реже, чем раньше.
