Под конец прошлой недели на западных форумах и в прессе разгорелся самый настоящий скандал вокруг одного из ключевых элементов планшетки Microsoft Surface Pro. Вы, конечно, слышали об этом устройстве, только что поступившем в продажу: это вторая модель линейки Surface — с процессором x86, обычной MS Windows 8, а потому конкурирующая больше с ультрабуками, нежели с представителями планшетного ряда. Критиков и потенциальных покупателей зацепило поразительное нежелание Microsoft назвать точное время автономной работы новинки. Ни в спецификациях, ни даже на «допросе с пристрастием», устроенном одному из высших лиц корпорации читателями популярного техноресурса Reddit, точной цифры не прозвучало.

Ничего удивительного: в независимых тестах Surface Pro работает от одного заряда батареи около 4 часов — что, скажем прямо, явно недостаточно для топовой, суперсовременной железки, предназначающейся для серьёзных задач. Это, правда, близко к показателям MacBook Air, с которым Microsoft своё новое детище пытается равнять. Но проблема даже не в том, какие устройства Surface Pro превосходит, а каким уступает. Проблема — общая для всех вендоров и любого железа — в том, что вот уже третье десятилетие аккумуляторные батареи топчутся на месте. Не процессоры, не память, не коммуникации стали главным тормозом электроники и техники вообще. Батарейка!

Сегодня именно габариты и возможности аккумуляторных батарей определяют внешний вид и верхнюю границу функциональности всех мобильных устройств, начиная от телефонов и заканчивая носимыми компьютерами. Именно батарея занимает в таких устройствах наибольший объём, и именно с ней приходится “химичить” больше всего — и в прямом, и в переносном смысле, вгоняя конструкцию в запланированные вес и габариты. Батарею лишают оболочки, делают мягкой, совмещают с клавиатурой и корпусом. Но, увы, чем активней эксперименты на изыскательской стадии, тем чаще аккумуляторы становятся причиной головной боли на стадии потребительской. Перегрев, самовозгорание, взрывы аккумуляторных батарей попортили немало крови Apple и сегодня портят её же Самсунгу (вы уже слышали про взорвавшийся Galaxy Note?). И новейший воздушный флот Боинга приземлён по той же самой причине.

Вот она, главная деталь вашего телефона, планшетки, ноутбука, электромобиля. От производителя к производителю, от устройства к устройству форма, химический состав и внутреннее строение литий-ионных аккумуляторов слегка меняются, но базовый принцип остаётся неизменным - а с ним и недостатки.
Вот она, главная деталь вашего телефона, планшетки, ноутбука, электромобиля. От производителя к производителю, от устройства к устройству форма, химический состав и внутреннее строение литий-ионных аккумуляторов слегка меняются, но базовый принцип остаётся неизменным – а с ним и недостатки.

Проблема везде одна и та же: литий-ионная технология. Презентованная в начале 90-х годов прошлого века и к настоящему моменту ставшая стандартом де-факто в аккумуляторном мире, она не подчиняется закону Мура. Для неё нет приятной эмпирической зависимости, которая постулировала бы, скажем, удвоение ёмкости каждые полтора года. Литиевые батареи работают в телефонах, в планшетках, ноутбуках, в электромобилях и самолётах, и везде одно и то же: химические компоненты токсичны, активны и пожароопасны; имеют свойство сильно расширяться при нагреве (то есть в периоды высокой нагрузки и заряда), требуют прочной оболочки, средств аварийного сброса давления; не допускают размещения на гибкой подложке и уменьшения толщины ниже определённого предела. Плюс ко всему — плохая переносимость отрицательных температур, сравнительно короткий срок службы и, наконец, высокая цена.

Доведя ресурс литий-ионной технологии до физического предела, мы всё чаще сталкиваемся с её непредсказуемым поведением. Малейшая неувязка способна выбить такую батарею из эксплуатационных норм: ну нет у неё больше запаса прочности! Слышали, как пользователи iPhone жалуются на iOS 6.1? Мелкая ошибка в операционной системе приводит к разряду батареи чуть быстрее запланированного — и делает смартфон бесполезным. А аккумуляторы на Боинг-787? Судя по отзывам экспертов, никаких фатальных конструктивных дефектов в них нет: просто режим работы оказался слегка отличающимся от расчётного — и это превратило батарею в потенциальную бомбу. И Airbus уже подумывает отказаться от Li-Ion в пользу более старых, но и менее опасных технологий накопления электрической энергии.

Но если литий-ионные батареи так неустойчивы, почему же они так популярны? Парадокс объясняется просто. Дело, во-первых, в том, что по совокупности качеств Li-Ion лучше других вписывается в эксплуатационные требования, предъявляемые современной техникой. Скажем, в микроэлектронике такие батареи обеспечивают как минимум день работы, отсутствие так называемого эффекта памяти (свойственного никель-металл-гидридным элементам), умеют быстро подзаряжаться и служат около трёх лет — срок, за который большинство мобильных устройств устаревает и морально, и технически. И, во-вторых, вариантов нет: в то время как сама электроника движется вперёд, аккумуляторы топчутся на месте. Ничего лучше Li-Ion для массового рынка пока не придумано, несмотря на то что альтернатива нужна и микроэлектронике, и автопрому, и авиастроению, и даже энергетике (где растёт потребность в локальных системах хранения электричества, см. «Элон Маск и его Солнечный Город»).

Самые ёмкие литий-ионные аккумуляторы - одновременно ещё и самые пожароопасные. Такие, в частности, используются в электромобилях Tesla Motors и на авиалайнерах Боинг-787. Но у Tesla аккумулятор поделён на сотни ячеек, что уменьшает вероятность перегрева и пожара, тогда как в Боингах батареи состоят всего из нескольких секций.
Самые ёмкие литий-ионные аккумуляторы – одновременно ещё и самые пожароопасные. Такие, в частности, используются в электромобилях Tesla Motors и на авиалайнерах Боинг-787. Но у Tesla аккумулятор поделён на сотни ячеек, что уменьшает вероятность перегрева и пожара, тогда как в Боингах батареи состоят всего из нескольких секций.

Образно выражаясь, ситуация с аккумуляторами напоминает сейчас большой барьер, у которого скопилась масса народу. Десятки, если не сотни научных групп по всему миру пытаются преодолеть его, работая по множеству направлений. Большинство обнадёживающих новостей уже привычно приходят из Северной Америки. Американская Imprint Energy заменила литий цинком, благодаря чему аккумулятор можно делать сверхтонким и гнущимся (вплоть до сотен микрон на плёночной подложке). В университете Кеттеринга в Канаде сделали ставку на алюминий, надеясь и по ёмкости, и по цене, и по безопасности обойти литий-ионные батареи. В Лаборатории Оак-Ридж от лития отказываться не стали, но экспериментируют с наночастицами, применение которых позволяет поднять на порядок ёмкость и уменьшить пожароопасность. Так же и стартап Seeo, поддержанный в том числе Google, ставит на Li-Ion, но с менее опасным электролитом и более лёгкой и дешёвой конструкцией электродов. И даже само американское Министерство энергетики выделило 120 млн долларов на амбициозный проект с целью “5-5-5”: за пять лет сделать аккумуляторы впятеро мощней и впятеро дешевле.

Я не искал специально, а попросту надёргал сообщений из свежих новостных лент. Но можете мне поверить, такая картина в новостях каждый день на протяжении как минимум уже нескольких лет. Разработок много, они выходят из лабораторий или близки к этому — и ничего удивительного, что оптимисты смотрят в будущее уверенно. Например, уже упоминавшийся Элон Маск заинтересован в прорыве “аккумуляторного барьера” чуть ли не больше любого другого предпринимателя на Земле: Маску принадлежат успешные космический (SpaceX, см. «Первые на орбите»), автомобильный (Tesla Motors, см. «Как сломать Tesla Roadster») и солнечно-энергетический бизнесы — и везде нужны ёмкие, безопасные, дешёвые аккумуляторы. Так вот, Маск уверен, что в ближайшие десять лет аккумуляторный мир ждёт резкое падение цен, и это спровоцирует новую техническую революцию, которая перетряхнёт микроэлектронику, автомобильную, авиа-, космическую промышленность до самых основ.

Интрига в том, что ни Маск, ни кто-либо ещё, конечно же, не знают, ни где именно произойдёт прорыв, ни кто его устроит. И в этом смысле удивляет полное отсутствие новостей из российских институтов. Пусть мы отстали в коммерческом ракетостроении, но химия электролитов не выглядит неподъёмной задачей даже для небольших научных групп. Тем более что задача эта – достойная по всем параметрам. Так почему за неё не берутся наши студенты, наши аспиранты?

В статье использована иллюстрация Razor512