Кремний-углеродные аккумуляторы как альтернатива Li-Ion и Li-Pol в смартфонах

Рынок мобильных гаджетов с каждым годом стремительно развивается. Улучшаются камеры, предлагаются все новые мощные процессоры, внедряются функции искусственного интеллекта и так далее. Однако одним из главных требований со стороны пользователей остаются надежные батареи с быстрым циклом зарядки и высокой емкостью.

И хотя пока в большинстве смартфонов до сих пор используются литий-ионные и литий-полимерные батареи с максимальной емкостью около 5000 мАч, этого обычно приходится достигать путем увеличения габаритов аккумулятора, жертвуя либо какими-то отдельными функциональными модулями. Либо нужно увеличивать размеры и вес самого мобильного устройства.

Однако уже в этом году в этом вопросе ожидаются значительные сдвиги, поскольку на замену Li-Ion и Li-Pol-батареям постепенно начнут приходить кремний-углеродные аккумуляторы (Si-C). В чем же заключается их преимущество и что препятствует их массовому стремительному внедрению? Давайте разберем это все поподробнее.

Конструктивные отличия

Стоит начать с того, что сами по себе литий-ионные аккумуляторы состоят из алюминиевого катода и медного анода. Катод обычно покрывают оксидом кобальта и лития, а анод — тонким слоем графита. Между катодом и анодом размещается электролит, пропускающий ионы лития, которые свободно перемещаются между ними в процессе зарядки-разрядки.

Принципиальным отличием Li-Ion и Li-Pol батарей является этот самый электролит. Если в литий-ионных батареях он представляет собой пористый сепаратор с пропиткой из электролита, то в литий-полимерных — это специальный электролит на основе полимеров.

Конструктивно все отличие Si-C-аккумуляторов от традиционных Li-Ion и Li-Pol батарей заключается в аноде, покрытом слоем из наноструктурированного кремний-углеродного композитного материала.

На протяжении многих десятилетий аноды с графитовым покрытием были своего рода чем-то вроде стандарта, но вовсе не потому, что были такими совершенными, просто долгое время не удавалось найти достойной альтернативы, которая бы стабильно работала и была бы столь же универсальной.

Однако кремний способен удерживать в 10 раз больше ионов лития, чем графит. Плотность энергии такого аккумулятора может достигать до 4200 мА-ч/г против 372 мА-ч/г у графитового. Это позволяет существенно увеличить емкость батареи, не увеличивая ее размеров, или же разработать компактный аккумулятор, не уменьшая емкости.

Первыми технологию кремний-углеродных аккумуляторов предложили разработчики из Стэнфордского университета еще в 2008 году. Однако была одна существенная проблема. Кремниевое покрытие на аноде при поглощении ионов лития во время зарядки увеличивалось в объеме до 400%, а затем сжималось во время разрядки, что приводило к быстрому разрушению структуры и не позволяло создать надежно работающий аккумулятор.

Эту проблему удалось решить благодаря добавлению к кремнию устойчивых к разрушению углеродных наноструктур.

Пионеры новой технологии

Однако только в 2020 году разработчикам из китайской компании Honor удалось приблизиться к коммерческому использованию таких аккумуляторов.

В рамках тестирования первое поколение Si-C-аккумуляторов было установлено в модель смартфона Honor Magic 5 Pro. Ее выпустили только для китайского рынка с емкостью 5450 мАч, тогда как для продажи в другие страны эта же модель получила литий-полимерную батарею емкостью 5100 мАч.

В 2024 году Honor выпустила модель Magic 6 Pro, представив второе поколение кремний-углеродных аккумуляторов с емкостью 5600 мАч и также модель HONOR 200 Pro с Si-C-аккумулятором емкостью 5200 мАч. За счет высокой емкости смартфоны удалось сделать довольно тонкими, а также обеспечить их дополнительной мощностью для быстрой зарядки.

Кроме этого разработчики заявили, что их Si-C-аккумуляторы способны не терять заряд даже при температуре до — 20 С°. Главным преимуществом этих батарей оказалось увеличение удельной емкости на 20% по сравнению с литий-ионными и литий-полимерными аналогами.

Вслед за Honor Si-C-аккумуляторы на модели своих смартфонов начала устанавливать еще одна китайская компания Xiaomi. Так новый Redmi Turbo 4 получил батарею с емкостью 6550 мАч.

Чего ожидать дальше

По информации инсайдеров, переход на Si-C-аккумуляторы также рассматривают в Apple и Samsung. В частности, ходят слухи, что в Samsung уже активно работают над разработкой батарей этого типа, хотя сроки появления их в новых моделях бренда остаются неизвестными.

Углеродные наноструктуры также способствуют сохранению стабильной работы батареи, предотвращая деградацию даже при экстремальных температурах от — 20 С° до 45 С°, что в теории позволяет продлить ресурс ее работоспособности как минимум до 4-5 лет. Эти элементы питания не только лучше переносят низкие температуры, но и обеспечивают повышенную безопасность за счет меньшего нагрева при активном использовании, и особенно во время зарядки.

Еще одним важным преимуществом кремниево-углеродных аккумуляторов является поддержка сверхбыстрой зарядки мощностью до 60 Вт на один элемент.

Сейчас среди главных недостатков Si-C-аккумуляторов, вероятно, окажется цена на смартфоны, оснащенные ими, поскольку в ближайшие годы они будут появляться преимущественно во флагманских гаджетах. Honor и другие компании, которые запатентовали кремниево-углеродные аккумуляторы для смартфонов, установили высокие лицензионные сборы за использование этой технологии. Поэтому, вероятно, придется набраться терпения, пока эти аккумуляторы появятся в более бюджетных гаджетах.