Новинні стрічки майже щодня публікують про черговий прорив в акумуляторах, і за цим потоком досягнень, що не ніколи виходять за межу лабораторії, ви могли пропустити справжню революцію. Це літій-іонні кремнієво-вуглецеві акумулятори (LSC), які вже використовуються у масовій електроніці, котру ви можете купити в магазинах. Одними з перших новий тип акумулятора LSC залучили смартфони і уже виходять моделі з шалено високою ємністю у такому ж тонкому корпусі.
Існує низка хімій літій-іонних акумуляторів. Серед комерційно поширених ви можете згадати літій-залізо-фосфатні (LiFePo4), які встановлюються в зарядних станціях та електромобілях. Літій-титанатні (LTO) мають дуже низьку ємність, зате миттєво заряджаються, не бояться морозів і використовуються для стаціонарних акумуляторних систем та електротранспорту.
Ще поширені хімії літій-нікель-кобальт-алюміній (NCA), літій-магній-оксид (LMO), літій-кобальт-оксид (LCO).
Побутова електроніка, така як смартфони, ноутбуки, навушники, планшети, кишенькові павербанки, використовують літій-нікель-марганцево-кобальтовий акумулятор (NMC). Акумулятори NMC мали донедавно найвищу ємність та доступнішу ціну, тому їх використовують в масовій компактній техніці.
Насправді, кожне велике сімейство літій-іонних акумуляторів має купу варіацій свого складу. Наприклад, літій-іонні акумулятори з хімією NMC можуть бути:
- NMC111 – 1 частина нікелю, 1 частина марганцю, 1 частина кобальту
- NMC532 – 5 частин нікелю, 3 частини марганцю, 2 частини кобальту
- NMC622 – 6 частин нікелю, 2 частини марганцю, 2 частини кобальту
- NMC811 – 8 частин нікелю, 1 частина марганцю, 1 частина кобальту
Але це тема для іншої статті.
Нам важливо знати, що уже майже півдесятка років як технології дійшли до межі літій-іонних акумуляторів NMC. Наприклад, смартфони застигли на позначці 5000 мА*год і додаткові 200-300 мА*год рекламувалися як неймовірне досягнення. Звісно, були телефони з акумуляторами 10000 мА*год і навіть 20000 мА*год, але збільшення ємності досягалося виключно збільшенням розміру акумулятора.
Утім уже минулого року з’явилися смартфони, які за своїми розмірами не перевищують класичний смартфон, а саме 7-9 мм товщини при стандартній висоті та ширині, однак мають значно більшу ємність. Це стало можливим саме завдяки використанню літій-іонного кремнієво-вуглецевого акумулятора (LSC).
Наприклад, китайський бренд Realme нещодавно випустив смартфон GT 7 Pro з акумулятором 6500 мА*год, а тепер готує модель GT 8 Pro з батареєю до 8000 мА*год. Точна специфікація поки невідома – компанія вивчає варіанти з 7000, 7500 та 8000 мА*год.
Конструкція акумулятора «на пальцях»
Будь-який акумулятор концептуально має дуже просту конструкцію. Це бутерброд із трьох аркушів різних матеріалів, просякнуті електролітом. Перший аркуш та третій аркуш є носіями зарядів – плюс та мінус акумулятора. Другий аркуш розміщений між ними, щоб перший та другий аркуші не могли торкнутися один одного. Електроліт є рідиною, яка допомагає зарядам переміщуватися між першим та другим аркушами з меншими втратами.
Складнощі в розробці акумулятора починаються тоді, коли потрібно отримати високу ємність, високу кількість циклів заряджання-розряджання, здатність віддавати високий струм тощо.
Вчені та інженери постійно шукають матеріали усіх трьох аркушів та електроліту, щоб виготовлений з цих матеріалів акумулятор задовольняв бажаним параметрам.
Проривні літій-іонні кремнієво-вуглецеві акумулятори
У акумуляторах Li-ion NMC, які встановлені у вашому поточному смартфоні чи ноутбуці, один з аркушів (який називають анодом) є перетертим в пил вугіллям (інша назва – вуглець або графіт). Однак теоретична ємність літій-іонного акумулятора з таким анодом не перевищує 372 мА*год/грам.
У LSC анод, окрім вугілля, також містить кремній. Додавання кремнію дозволяє розмовляти про теоретичну ємність 3600 мА*год (https://www.pv-magazine.com/2023/12/29/gdi-launches-100-silicon-anode-enabling-rapid-charging-higher-energy-density/).
| Параметр | LiFePO4 | NMC | LSC |
|---|---|---|---|
| Щільність енергії | Нижче (~90-150 Вт·год/кг) | Вище (~150-220 Вт·год/кг) | Дуже високий (потенціал >300 Вт·год/кг) |
| Цикл життя | Дуже високий (~2000-5000 циклів) | Помірний (~1000-2000 циклів) | Обіцяючий, але все ще тестується |
| Безпека | Відмінно (стабільна хімія) | Помірний (ризик пожежі) | Вивчається |
| Вартість | Вищий початковий внесок, економічно ефективний довгостроковий період | Доступний | Ймовірно, висока |
| Швидкість заряду/розряду | Від середнього до високого | Високий | Потенційно дуже високий |
| Робоча температура | Широкий діапазон (від -20°C до 60°C) | Помірна (від -10°C до 50°C) | Вивчається |
| Застосування | Акумулювання енергії, електромобілі, сонячна батарея | Електромобілі, портативна електроніка, інструменти | Удосконалені електромобілі, енергоємні потреби |
Тести показують, що після 100 циклів заряджання-розряджання акумуляторів в форматі корпусу 18650 (популярний формат у ліхтариках, самокатах, павербанках, зарядних станціях, електроінструментах) останнє покоління технології LSC показує на 40% кращий результат за літій-іонний акумулятор з графітом (https://hpqsilicon.com/press-release/gen3-silicon-anode-batteries-outperform-graphite-after-100-cycles/).
Завдяки LSC в продажу скоро можуть з’явитися акумулятори формату 18650 ємністю 4000 мА*год. Нині акумулятори 18650 мають максимальну ємність 2700 мА*год.
До речі, в магазинах продаються акумулятори формату 18650 з написом на етикетці про ємність у 5000, 8000, 9000 мА*год тощо. Це неправда і акумулятори не мають заявленої на етикетці ємності. Ще немає технології, яка дозволила б упакувати таку ємність в корпус формату 18650.
Після 100 циклів розряджання акумулятор на базі останнього покоління LSC початкової ємності 3883 мА*год зберіг 3838 мА*год ємності (98,8%). На графіку нижче його деградація показана жовтою лінією.
Звичний нині літій-іонний акумулятор з графітним анодом зносився більше, залишивши з початкової ємності 2780 мА*год лише 2758 мА*год. Це падіння ємності до 99,2%. Його деградація зображена блакитною лінією.
Які смартфони уже мають акумулятор LSC
Перший комерційний смартфон з літій-іонним кремній-графітним акумулятором представила компанія Honor (дочірня фірма Huawei) на виставці MWC 2023. Це був Honor Magic5 Pro, який мав батарею 5450 мА*год. Стандартом на той час вважалася ємність 5100 мА*год.
Представник Honor підкреслив, що кремній-графітний акумулятор особливо добре поводить себе, коли смартфон демонструє 1% заряду (насправді у цей момент акумулятор смартфона має ще 30% ємності, але не вміє її використати).
Звичайний літій-іонний акумулятор на базі графітного аноду швидко втрачає ємність у зоні напруги 3,6 вольт (при такій напрузі ваш телефон показує 1% заряду), якщо його навантажити (наприклад, запустити гру). LSC-батарея на 240% краще тримає напругу в такий момент.
Тобто телефон з літій-іонним акумулятором на графітному аноді раптово вимкнеться, якщо запустити гру, коли залишилося 1% заряду. Телефон з літій-іонним акумулятором на кремнієво-графітному аноді витримає і не вимкнеться.
Після Honor Magic5 Pro швидко з’явилися гнучкий Honor Magic V2 із ємністю 5000 мА*год (гнучкі смартфони конструктивно мають меншу ємність, ніж стандартні смартфони-цеглини, тому ця ємність є великою) та Honor Magic 6 Pro (5650 мА*год).
Концерн BBK підхопив технологію кремнієво-графітних акумуляторів у майже всіх своїх дочірніх брендах. Він випустив Vivo X100 Ultra (5500 мА*год), гнучкий Vivo X Fold 3 Pro (5700 мА*год). Він також представив Oppo Find X8 з 6000 мА*год. Ще OnePlus 13 з акумулятором 6000 мА*год. Не забудьте також згадані на початку статті моделі від Realme.
Xiaomi також не відстає і представила, наприклад, Xiaomi 15 Pro з акумулятором 6100 мА*год – на 1220 мА*год більше порівняно з попередньою моделлю. Звичайна версія Xiaomi 15 також отримала більш ємний акумулятор порівняно з попердником завдяки кремній-графітовому літій-іонному акумулятору.
