Кремний-углеродные аккумуляторы: секрет вашего следующего мобильного телефона

Ваши устройства будут работать дольше и заряжаться быстрее благодаря новой технологии: кремний-углеродным аккумуляторам. Эта литий-ионная технология, применяемая в новейших высококлассных смартфонах и инновационных электромобилях, обещает произвести революцию в сфере портативного питания. Мы расскажем, как они работают и с какими сложностями сталкиваются.

В неустанной погоне за увеличением запаса хода и сокращением времени зарядки постепенно появляется новая технология аккумуляторов, которая станет стандартом для следующего поколения электронных устройств и электромобилей. Это кремний-углеродные (Si/C) аккумуляторы – усовершенствованный вариант распространённых литий-ионных аккумуляторов, уже используемых в некоторых самых современных флагманских смартфонах и современных электромобилях, таких как Lucid.

Эта технология обещает большую плотность энергии, что позволит создавать более компактные и лёгкие аккумуляторы при той же ёмкости, или же аккумуляторы того же размера со значительно более длительным сроком службы. Однако её внедрение сопряжено с техническими трудностями.

Обычный литий-ионный аккумулятор работает за счёт перемещения ионов лития между двумя электродами: катодом (обычно изготовленным из литиевого соединения) и анодом (обычно графитовым). Инновация Si/C-аккумуляторов заключается именно в аноде. Вместо чистого графита используется смесь кремния и углерода.

Причина проста: кремний теоретически способен накапливать литий до 10 раз лучше, чем графит. Это означает, что кремниевый анод способен удерживать гораздо больше ионов, что напрямую влияет на ёмкость аккумулятора.

Если кремний настолько совершенен, почему он до сих пор не получил широкого распространения? Ответ кроется в его главном недостатке: объёмном расширении. При полной зарядке кремниевый анод может разбухнуть до 300% от своего первоначального размера.

Это экстремальное расширение разрушает внутреннюю структуру батареи:

• Повреждение конструкции: разбухание приводит к образованию трещин и разрывов в материале анода.

• Быстрая деградация: при каждом цикле зарядки и разрядки защитный слой анода (называемый твердоэлектролитным интерфейсом или SEI) разрушается и восстанавливается, потребляя литий и быстро снижая емкость аккумулятора.

• Сокращение срока службы: в результате батарея с анодом из чистого кремния будет иметь очень короткий срок службы, что сделает ее непригодной для использования в потребительских товарах.

Именно здесь в игру вступает углерод. Создавая кремний-углеродный композит, углерод действует как своего рода структурная матрица, или «корсет», который смягчает расширение кремния. В то время как традиционный графитовый анод расширяется примерно на 10%, правильно спроектированный анод из Si/C может ограничить разбухание до 10–20% в зависимости от содержания кремния.

Углерод также улучшает электропроводность, которая в кремнии ниже, что обеспечивает более эффективный поток литий-ионов и позволяет увеличить скорость зарядки.

«Кремниевые батареи звучат впечатляюще, но служат недолго. Кремний-углеродный композит помогает смягчить эти недостатки». – Обзор Android Authority

Композитное решение на основе Si/C не идеально. За контроль разбухания приходится платить тем, что теоретический 10-кратный прирост ёмкости не достигается. На практике современные аккумуляторы Si/C обеспечивают увеличение плотности энергии на 10–20% по сравнению с графитовыми.

Кроме того, остаются вопросы об их долговечности. Несмотря на то, что углеродное покрытие помогает, механическая нагрузка всё ещё выше, чем у традиционных аккумуляторов. Это может означать, что аккумуляторы Si/C, особенно с высоким содержанием кремния и частой быстрой зарядкой, могут потребовать более частой замены. Этот фактор, в сочетании с тем, что их производство в настоящее время обходится дороже, должен учитываться потребителями.

Несмотря на трудности, кремний-углеродная технология уже существует и представляет собой следующий логический шаг в развитии портативных накопителей энергии. Она позволяет производителям создавать более тонкие телефоны без ущерба для времени автономной работы или увеличивать время автономной работы без увеличения веса устройств. Для электромобилей это означает увеличение пробега на одной зарядке, что является решающим фактором, снижающим опасения по поводу запаса хода. По мере развития материаловедения мы, вероятно, увидим всё более стабильные и эффективные композиты Si/C, что закрепит эту технологию в качестве нового золотого стандарта в мире аккумуляторов.