Представьте, что вы берете в руки смартфон, который не нужно заряжать ни сегодня, ни завтра, ни даже через год. Фантастика? Уже нет. Китайская компания Betavolt запустила в производство миниатюрные ядерные батареи, которые могут работать полвека без подзарядки. Это может перевернуть наше представление о мобильных устройствах уже в ближайшие годы.
Почему наши смартфоны до сих пор быстро разряжаются?
Наверняка каждый из нас хоть раз оказывался в ситуации, когда батарея телефона садилась в самый неподходящий момент. И это несмотря на то, что современные литий-ионные аккумуляторы прошли длинный путь развития.
Сегодня типичный смартфон оснащен батареей емкостью около 5000 мАч. Этого хватает примерно на день активного использования. При этом плотность энергии литий-ионных батарей выросла с 80 Вт·ч/кг в 1990-х до примерно 300 Вт·ч/кг сейчас. Казалось бы, прогресс налицо, но почему же наши устройства все равно требуют ежедневной зарядки?
Дело в том, что современные литий-ионные технологии почти достигли предела своих возможностей. Инженеры сталкиваются с серьезной проблемой: при уменьшении размеров батарей увеличивается доля корпуса в общем объеме, а площадь активных электродов уменьшается. В результате энергия и мощность батареи снижаются.
К тому же, на срок службы аккумуляторов влияет множество факторов: качество сигнала связи, яркость экрана, работающие в фоне приложения, использование Bluetooth и Wi-Fi. После 400 циклов зарядки емкость батареи может упасть до 72% от первоначальной.
Революция на горизонте: ядерные микробатареи
Прорыв в технологиях питания мобильных устройств может произойти благодаря китайской компании Betavolt. Она запустила в массовое производство ядерную микробатарею BV100, которая способна питать различные устройства в течение целых 50 лет без подзарядки.
Звучит пугающе? На самом деле эта технология безопаснее, чем кажется. Размером меньше монеты (15×15×5 мм), батарея BV100 состоит из слоя никеля-63 толщиной всего два микрона между двумя алмазными полупроводниками по 10 микрон. Батарея преобразует энергию радиоактивного распада в электричество.
У такой технологии есть впечатляющие преимущества:
- Батарея не взрывается и не горит
- Работает в экстремальных температурах от -60°C до +120°C
- Плотность энергии в 10 раз выше, чем у литий-ионных аккумуляторов
Однако есть и ограничение – пока мощность таких батарей составляет всего 100 микроватт при напряжении 3 В. Этого недостаточно для питания современного смартфона. Но компания не стоит на месте.
Что ждать в ближайшем будущем?
К концу 2025 года Betavolt планирует выпустить версию мощностью 1 ватт, которая уже сможет применяться в потребительской электронике и дронах. А это открывает дорогу к использованию в смартфонах, роботах и устройствах с искусственным интеллектом.
И Китай не единственный, кто работает в этом направлении. В США компания City Labs создает батареи на тритии для медицинских устройств, а в Южной Корее ученые разработали похожий прототип.
Другие перспективные технологии
Пока ядерные микробатареи не стали массовыми, ученые активно разрабатывают и другие технологии с потенциалом изменить рынок мобильных устройств:
Твердотельные аккумуляторы используют твердый электролит вместо жидкого или гелевого. Они безопаснее (не воспламеняются при повреждении), имеют большую емкость и устойчивы к экстремальным температурам. Несмотря на то, что первые твердые электролиты были созданы еще в 19 веке Майклом Фарадеем, только недавние разработки приблизили их к массовому производству.
Литий-серные батареи (Li-S) с анодом из литированного металла и серно-углеродным катодом обещают более высокую плотность энергии по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами.
Литий-кислородные аккумуляторы работают за счет преобразования лития и кислорода в оксид металла и обратно. Такие батареи потенциально могут содержать больше энергии и работать дольше, хотя из-за образования нежелательных химических побочных продуктов отдают только около 80% накопленного заряда.
Ученые из Академии наук Китая разработали литиевый аккумулятор с рекордной плотностью энергии свыше 700 Вт·ч/кг. Новая конструкция с высокоемким катодом из марганца с высоким содержанием лития и тонким литий-металлическим анодом в несколько раз превосходит показатели современных литий-ионных аккумуляторов.
Почему прогресс так медленный?
При таком количестве перспективных технологий возникает вопрос: почему мы до сих пор не видим революционных прорывов в области батарей для повседневных устройств?
Причина кроется в нескольких факторах. Во-первых, переход от лабораторных прототипов к массовому производству требует огромных инвестиций и времени. Во-вторых, новые технологии должны быть не только эффективными, но и безопасными, долговечными и доступными по цене.
Как показывает практика, даже самые перспективные технологии сначала находят применение в специализированных областях, прежде чем попасть в массовый потребительский сегмент. Так будет и с ядерными микробатареями – вероятно, сначала мы увидим их в медицинских имплантах, военной технике или космических аппаратах.
Что это значит для обычных пользователей?
Переход на новые технологии батарей в массовых устройствах будет постепенным. Скорее всего, в ближайшие несколько лет производители будут постепенно улучшать существующие литий-ионные аккумуляторы, одновременно внедряя элементы новых технологий.
Возможно, первыми практическими применениями станут гибридные решения, когда устройство будет иметь традиционную батарею для пиковых нагрузок и микроядерный элемент для подзарядки этой батареи или питания малопотребляющих компонентов.
В любом случае, мир мобильных устройств стоит на пороге энергетической революции. Смартфоны, работающие неделями или даже месяцами без подзарядки, уже не кажутся научной фантастикой.
Будущее близко
Будущее батарей для мобильных устройств выглядит многообещающим. От усовершенствованных литий-ионных аккумуляторов до революционных ядерных микробатарей – технологический прогресс продолжается, хотя и не такими быстрыми темпами, как хотелось бы.
Ядерные микробатареи могут стать доступными для потребительской электроники уже к концу 2025 года, но поначалу их применение, вероятно, будет ограничено специализированными сферами. Тем временем твердотельные, литий-серные и литий-кислородные аккумуляторы представляют собой более близкую перспективу улучшения существующих технологий.
Преодоление фундаментальных ограничений, связанных с плотностью энергии, циклами заряда-разряда и долговечностью, остается главной задачей для исследователей и инженеров. Успешное решение этих проблем в конечном итоге приведет к созданию смартфонов и других мобильных устройств с батареями, которые будут работать неделями или даже месяцами без подзарядки.
Подписывайтесь на телеграм-канал Digital Report https://t.me/DigitalRep и будьте в курсе последних технологических новостей!
