Новостные ленты почти ежедневно публикуют об очередном прорыве в аккумуляторах, и за этим потоком никогда выходящих за предел лаборатории достижений, вы могли пропустить настоящую революцию. Это литий-ионные кремниево-углеродные аккумуляторы (LSC), которые уже используются в массовой электронике, которую вы можете купить в магазинах. Одними из первых новый тип аккумулятора LSC внедрили смартфоны и уже выходят модели с безумно высокой емкостью в таком же тонком корпусе.
Существует ряд химий литий-ионных аккумуляторов. Среди коммерчески распространенных можно упомянуть литий-железо-фосфатные (LiFePo4), устанавливаемые в зарядных станциях и электромобилях. Литий-титанатные (LTO) имеют очень низкую емкость, но мгновенно заряжаются, не боятся морозов и используются для стационарных аккумуляторных систем и электротранспорта.
Еще распространены химии литий-никель-кобальт-алюминий (NCA), литий-магний-оксид (LMO), литий-кобальт-оксид (LCO).
Бытовая электроника, такая как смартфоны, ноутбуки, наушники, планшеты, карманные павербанки, используют литий-никель-марганцево-кобальтовый аккумулятор (NMC). Аккумуляторы NMC имели недавно высокую емкость и доступную цену, поэтому их используют в массовой компактной технике.
В самом деле, каждое большое семейство литий-ионных аккумуляторов имеет кучу вариаций своего состава. Например, литий-ионные аккумуляторы с химией NMC могут быть:
- NMC111 – 1 часть никеля, 1 часть марганца, 1 часть кобальта
- NMC532 – 5 частей никеля, 3 части марганца, 2 части кобальта
- NMC622 – 6 частей никеля, 2 части марганца, 2 части кобальта
- NMC811 – 8 частей никеля, 1 часть марганца, 1 часть кобальта
Но это тема для другой статьи.
Нам важно знать, что уже почти полдесятка лет как технологии дошли до предела литий-ионных аккумуляторов NMC. Например, смартфоны застыли на отметке 5000 мАч и дополнительные 200-300 мАч рекламировались как невероятное достижение. Конечно, были телефоны с аккумуляторами 10000 мАч и даже 20000 мАч, но увеличение емкости достигалось исключительно увеличением размера аккумулятора.
Впрочем, уже в прошлом году появились смартфоны, которые по своим размерам не превышают классический смартфон, а именно 7-9 мм толщины при стандартной высоте и ширине, однако имеют значительно большую емкость. Это стало возможным благодаря использованию литий-ионного кремниево-углеродного аккумулятора (LSC).
К примеру, китайский бренд Realme недавно выпустил смартфон GT 7 Pro с аккумулятором 6500 мА*ч, а теперь готовит модель GT 8 Pro с батареей до 8000 мА*ч. Точная спецификация пока неизвестна – компания изучает варианты с 7000, 7500 и 8000 мА*ч.
Конструкция аккумулятора на пальцах
Любой аккумулятор имеет очень простую конструкцию. Это бутерброд из трех листов разных материалов, пропитанных электролитом. Первый лист и третий лист являются носителями зарядов плюс и минус аккумулятора. Второй лист расположен между ними, чтобы первый и второй листы не могли коснуться друг друга. Электролит является жидкостью, которая помогает зарядам перемещаться между первым и вторым листами с меньшими потерями.
Сложности в разработке аккумулятора начинаются тогда, когда нужно получить высокую емкость, высокое количество циклов зарядки-разрядки, способность отдавать высокий ток и т.д.
Ученые и инженеры постоянно ищут материалы всех трех листов и электролита, чтобы изготовленный из этих материалов аккумулятор удовлетворял желаемым параметрам.
Прорывные литий-ионные кремниево-углеродные аккумуляторы
В аккумуляторах Li-ion NMC, установленных в вашем текущем смартфоне или ноутбуке, один из листов (называемый анодом) перетерт в пыль углем (другое название — углерод или графит). Однако теоретическая емкость литий-ионного аккумулятора с таким анодом не превышает 372 мАч/грамм.
В LSC анод, кроме угля, также содержит кремний. Добавление кремния позволяет говорить о теоретической емкости 3600 мА*ч (https://www.pv-magazine.com/2023/12/29/gdi-launches-100-silicon-anode-enabling-rapid-charging-higher-energy-density/).
| Параметр | LiFePO4 | NMC | LSC |
|---|---|---|---|
| Плотность энергии | Ниже (~90-150 Вт·ч/кг) | Выше (~150-220 Вт·ч/кг) | Очень высокий (потенциал >300 Вт·ч/кг) |
| Цикл жизни | Очень высокий (~2000-5000 циклов) | Умеренный (~1000-2000 циклов) | Обещающий, но все еще тестируемый |
| Безопасность | Отлично (стабильная химия) | Умеренный (риск пожара) | Изучается |
| Стоимость | Высший первоначальный взнос, экономически эффективный долгосрочный период | Доступен | Вероятно, высока |
| Скорость заряда/разряда | Среднего до высокого | Высокий | Потенциально очень высокий |
| Рабочая температура | Широкий диапазон (от -20°C до 60°C) | Умеренная (от -10°C до 50°C) | Изучается |
| Применение | Аккумулирование энергии, электромобили, солнечная батарея | Электромобили, портативная электроника, инструменты | Усовершенствованные электромобили, энергоемкие потребности |
Тесты показывают, что после 100 циклов зарядки-разрядки аккумуляторов в формате корпуса 18650 (популярный формат в фонариках, самокатах, павербанках, зарядных станциях, электроинструментах) последнее поколение технологии LSC показывает на 40% лучший результат за литий-ионный акумулятор. (https://hpqsilicon.com/press-release/gen3-silicon-anode-batteries-outperform-graphite-after-100-cycles/).
Благодаря LSC в продаже скоро могут появиться аккумуляторы формата 18650 емкостью 4000 мАч. В настоящее время аккумуляторы 18650 имеют максимальную емкость 2700 мАч.
Кстати, в магазинах продаются аккумуляторы формата 18650 с надписью на этикетке о емкости в 5000, 8000, 9000 мАч и т.д. Это неправда, и аккумуляторы не имеют заявленной на этикетке емкости. Еще нет технологии, позволяющей упаковать такую ??емкость в корпус формата 18650.
После 100 циклов разрядки аккумулятор на базе последнего поколения LSC начальной емкости 3883 мАч сохранил 3838 мАч емкости (98,8%). На графике ниже его деградация показана желтой линией.
Привычный литий-ионный аккумулятор с графитным анодом износился больше, оставив из начальной емкости 2780 мАч только 2758 мАч. Это падение емкости до 99,2%. Его деградация изображена голубой линией.
Какие смартфоны уже имеют аккумулятор LSC
Первый коммерческий смартфон с литий-ионным кремний-графитным аккумулятором представила компания Honor (дочерняя фирма Huawei) на выставке MWC 2023. Это был Honor Magic5 Pro, у которого была батарея 5450 мА*ч. Стандартом того времени считалась емкость 5100 мА*ч.
Представитель Honor подчеркнул, что кремний-графитный аккумулятор особенно хорошо ведет себя, когда смартфон демонстрирует 1% заряда (на самом деле, в этот момент аккумулятор смартфона имеет еще 30% емкости, но не умеет ее использовать).
Обычный литий-ионный аккумулятор на базе графитного анода быстро теряет емкость в зоне напряжения 3,6 вольт (при таком напряжении телефон показывает 1% заряда), если его нагрузить (например, запустить игру). LSC-батарея на 240% лучше удерживает напряжение в такой момент.
То есть телефон с литий-ионным аккумулятором на графитном аноде внезапно выключится, если запустить игру, когда осталось 1% заряда. Телефон с литий-ионным аккумулятором на кремниево-графитном аноде выдержит и не выключится.
После Honor Magic5 Pro быстро появился гибкий Honor Magic V2 с емкостью 5000 мАч (гибкие смартфоны конструктивно имеют меньшую емкость, чем стандартные смартфоны-кирпичи, поэтому эта емкость велика) и Honor Magic 6 Pro (5650 мАч).
Концерн BBK подхватил технологию кремниево-графитных аккумуляторов во многих своих дочерних брендах. Он выпустил Vivo X100 Ultra (5500 мАч), гибкий Vivo X Fold 3 Pro (5700 мАч). Он также представил Oppo Find X8 с 6000 мАч. Еще OnePlus 13 с аккумулятором 6000 мА*ч. Не забудьте также упомянутые в начале статьи модели Realme.
Xiaomi также не отстает и представила, например, Xiaomi 15 Pro с аккумулятором 6100 мАч — на 1220 мАч больше по сравнению с предыдущей моделью. Обычная версия Xiaomi 15 также получила более емкий аккумулятор по сравнению с предшественником благодаря кремний-графитовому литий-ионному аккумулятору.
