В мобильных гаджетах практически повсеместно используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. Они доказали свою эффективность временем, но технологии не стоят на месте. Одним из передовых направлений стали кремний-углеродные аккумуляторы, которые уже встречаются в некоторых смартфонах. Узнайте, как они устроены и чем хороши.
В основе находится алюминиевый катод и медный анод. Первый обычно покрыт оксидом кобальта и лития (Li-xCoO2), а второй — тонким слоем графита (С). Разделяет анод и катод электролит, который пропускает ионы лития. Последние беспрепятственно перемещаются между анодом и катодом во время процесса зарядки/разрядки. Отличия Li-Ion от Li-Pol АКБ заключается в разделяющем веществе. У первых это пористый сепаратор с пропиткой из электролита, а у вторых — специальный полимерный электролит.
Li-Pol модели дороже, однако взамен они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, в том числе повышенной безопасностью.
Если говорить о смартфонах, то Li-Ion/Pol батареи обеспечивают в среднем емкость на 5000 мА*ч Пределом считается АКБ на 6000 мА*ч для моделей с экраном до 6,8 дюйма.
Поиском альтернатив занялись больше пятнадцати лет назад. Технологию кремний-углеродных аккумуляторов предложили в Стэндфордском университете в 2008 году. Ученые заявили, что разработали усовершенствование, способное увеличить автономность вплоть до десяти раз. Идея заключалась в том, чтобы использовать на аноде не графитовые, а кремниевые структуры.
Главной проблемой считалась особенность кремния. Материал при зарядке с поглощением ионов лития увеличивался в объеме до 400 %, а затем сжимался во время разрядки. Из-за этого структура быстро разрушалась, что не позволяло создать работоспособный аккумулятор. Устранили этот недостаток за счет смешения кремния с углеродом и создания определенных устойчивых к разрушению структур. Таким образом, Si-C аккумуляторы отличаются от Li-Ion/Pol исключительно анодом.
Первые стабильные структуры получили название «нанотрубки». Они также изменяются в объеме в процессе зарядки и разрядки, но при этом остаются стабильными на протяжении многочисленных циклов.
В следующие годы технология улучшалась за счет различных модификаций структуры. Появились тонкие пленки кремния на основе углеродных нанотрубок, углеродные нановолокна и кремниевые нанопровода, структура «желтка-белка» и другие. Все разнообразие поделили на три больших группы: с углеродным покрытием, встроенные и полые структуры.
Однако на практике все еще оставались неразрешенные проблемы, поэтому до коммерческого использования технология добралась лишь спустя годы.
Первые наработки начала компания Honor: инженеры с 2020 года участвовали в создании коммерческого аккумулятора для смартфонов. Результатом стало появление первого поколения кремний-углеродных аккумуляторов. Разработчики заявили, что в сравнении с классическими литий-ионными добились увеличения емкости на 12,8 %. Протестировать технологию решили на Magic 5 Pro, однако только на внутреннем рынке Китая. Так глобальная версия получила классический Li-Pol аккумулятор на 5100 мА*ч, в то время как китайская версия — Si-C на 5450 мА*ч при тех же габаритах.
Уже в 2024 году Honor представила второе поколение Si-C аккумуляторов на Magic 6 Pro (5600 мА*ч) и HONOR 200 Pro (5200 мА*ч). Технология предложила большую емкость, за счет чего смартфоны получилось сделать тоньше, а также повышенную мощность для быстрой зарядки. Дополнительно заявлена возможность корректной работы АКБ на морозе вплоть до -20 °C.
Улучшения оказались достаточно ощутимыми, так что к технологии Si-C прибегли и другие бренды. На текущий момент известно о третьем поколении кремний-карбоновых батарей. Причем в характеристиках они могут обозначаться как литий-полимерные.
Увеличенная емкость. В теории применение кремния в аноде действительно предлагает предел гравиметрической емкости в 10 раз больше по сравнению с классическим графитом.
Однако на практике в аноде используется лишь небольшая доля кремния, так что пока можно говорить о числах в 420–550 mA*h/g. Инженерам удалось увеличить объемную емкость в среднем на 25 % при аналогичных или меньших размерах аккумулятора. Если типичными значениями для большинства смартфонов были 5000 мА*ч, то с переходом на Si-C батареи можно ожидать до 6000-7000 мА*ч.
Уменьшение размеров и веса. Применение кремния также позволяет уменьшить габариты аккумулятора. Например, это можно проследить на сравнении серии HONOR Magic V. С переходом на новые Si-C аккумуляторы инженерам удалось уменьшить вес и толщину раскладушки, не увеличивая кардинально габариты и диагональ.
Аналогичные результаты можно увидеть в смартфонах компании Xiaomi. Китайская версия Xiaomi 14 Ultra оснащается новейшим кремний-карбоновым аккумулятором. Он получился не только меньше своих литий-полимерных сородичей от 14 Pro и 13 Ultra, но и предлагает чуть большую емкость.
Большая мощность быстрой зарядки. За счет использования кремния анодное покрытие теперь способно за тот же промежуток времени «захватывать» больше ионов лития. Это позволило добиться повышенных мощностей для зарядки. Если для Li-Ion/Pol это значения в 35-60 Вт, то с приходом Si-C аккумуляторов типичными становятся мощности в 80-100 Вт.
Работа при минусовых температурах. Батареи Si-C проявляют лучшую стабильность работы при минусовых температурах. И, как показывают некоторые эксперименты, как минимум на примере HONOR Magic 6 Pro, новый тип аккумуляторов действительно лучше переносит морозы. Смартфон продержался в режиме непрерывного воспроизведения видео на морозе в -20 °C больше 13 часов.
Несмотря на все преимущества, у кремний-углеродных батарей имеются и недостатки.
Дороговизна производства. В текущем варианте производство Si-C аккумуляторов обходится дороже, так что встречаются они преимущественно в гаджетах премиум-класса.
Долговечность. Поскольку кремний ощутимо расширяется и сужается в ходе процесса зарядки-разрядки, то это отрицательно сказывается на сроке службы. Согласно исследованию, значительное расширение объема Si-анода создает интенсивную механическую нагрузку на электрод. Это же затрудняет пути переноса электронов и ионов по всей структуре электрода. На практике это приводит к двум главным минусам — уменьшению емкости и снижению долговечности. Поскольку технологию новая, то о конкретных значениях пока говорить рано. Однако если Li-Ion/Pol предлагают в среднем до 1000 циклов, то у Si-C это 500-650 циклов.
Насколько сильно падает емкость, косвенно можно оценить на тесте аккумуляторов 18650 от компании HPQ Silicon. На графике ниже синяя линия — эталонный литиевый аккумулятор с графитовым анодом. Оранжевый, зеленый и желтый графики — Si-C аккумуляторы поколений GEN1, GEN2 и GEN3 соответственно.
Тест потери емкости Si-C аккумуляторов разных поколений
Как можно заметить, новейший GEN3 аккумулятор на протяжении 500 циклов показал сохранение емкости в 85 % по сравнению с показателем эталонного образца графита в 97 % — разница всего 12 %.
Безопасность. Еще один малоисследованный аспект Si-C аккумуляторов. Когда литий-ионные батареи выходят из строя, они способны быстро высвобождать огромное количество энергии, что может привести к тепловому разгону или возгоранию. Кремний-углеродные батареи имеют более высокую плотность энергии. Значит, тепловой разгон может быть еще опаснее для устройств и потребителей.
Кремний-углеродные аккумуляторы представляют собой модификацию литий-полимерных. Вместо графитовых слоев в аноде используются различные кремниево-углеродные структуры. Инженеры активно экспериментируют с их формой, добиваясь максимальной емкости при минимальных деформациях. Такой подход позволил увеличить среднюю емкость АКБ, при этом сохранив или даже уменьшив габариты батареи. Однако Si-C аккумуляторы обладают меньшим числом циклов зарядки-разрядки, а также могут со временем терять больший процент емкости по сравнению с литий полимерными моделями.
Конструкция кремний-углеродных аккумуляторов
Чтобы понять, чем конкретно отличается новая технология, необходимо сделать небольшой экскурс в строение литий-ионных аккумуляторов.В основе находится алюминиевый катод и медный анод. Первый обычно покрыт оксидом кобальта и лития (Li-xCoO2), а второй — тонким слоем графита (С). Разделяет анод и катод электролит, который пропускает ионы лития. Последние беспрепятственно перемещаются между анодом и катодом во время процесса зарядки/разрядки. Отличия Li-Ion от Li-Pol АКБ заключается в разделяющем веществе. У первых это пористый сепаратор с пропиткой из электролита, а у вторых — специальный полимерный электролит.
Li-Pol модели дороже, однако взамен они обладают лучшими эксплуатационными характеристиками, в том числе повышенной безопасностью.
Если говорить о смартфонах, то Li-Ion/Pol батареи обеспечивают в среднем емкость на 5000 мА*ч Пределом считается АКБ на 6000 мА*ч для моделей с экраном до 6,8 дюйма.
Поиском альтернатив занялись больше пятнадцати лет назад. Технологию кремний-углеродных аккумуляторов предложили в Стэндфордском университете в 2008 году. Ученые заявили, что разработали усовершенствование, способное увеличить автономность вплоть до десяти раз. Идея заключалась в том, чтобы использовать на аноде не графитовые, а кремниевые структуры.
Главной проблемой считалась особенность кремния. Материал при зарядке с поглощением ионов лития увеличивался в объеме до 400 %, а затем сжимался во время разрядки. Из-за этого структура быстро разрушалась, что не позволяло создать работоспособный аккумулятор. Устранили этот недостаток за счет смешения кремния с углеродом и создания определенных устойчивых к разрушению структур. Таким образом, Si-C аккумуляторы отличаются от Li-Ion/Pol исключительно анодом.
Первые стабильные структуры получили название «нанотрубки». Они также изменяются в объеме в процессе зарядки и разрядки, но при этом остаются стабильными на протяжении многочисленных циклов.
В следующие годы технология улучшалась за счет различных модификаций структуры. Появились тонкие пленки кремния на основе углеродных нанотрубок, углеродные нановолокна и кремниевые нанопровода, структура «желтка-белка» и другие. Все разнообразие поделили на три больших группы: с углеродным покрытием, встроенные и полые структуры.
Однако на практике все еще оставались неразрешенные проблемы, поэтому до коммерческого использования технология добралась лишь спустя годы.
Первые наработки начала компания Honor: инженеры с 2020 года участвовали в создании коммерческого аккумулятора для смартфонов. Результатом стало появление первого поколения кремний-углеродных аккумуляторов. Разработчики заявили, что в сравнении с классическими литий-ионными добились увеличения емкости на 12,8 %. Протестировать технологию решили на Magic 5 Pro, однако только на внутреннем рынке Китая. Так глобальная версия получила классический Li-Pol аккумулятор на 5100 мА*ч, в то время как китайская версия — Si-C на 5450 мА*ч при тех же габаритах.
Уже в 2024 году Honor представила второе поколение Si-C аккумуляторов на Magic 6 Pro (5600 мА*ч) и HONOR 200 Pro (5200 мА*ч). Технология предложила большую емкость, за счет чего смартфоны получилось сделать тоньше, а также повышенную мощность для быстрой зарядки. Дополнительно заявлена возможность корректной работы АКБ на морозе вплоть до -20 °C.
Улучшения оказались достаточно ощутимыми, так что к технологии Si-C прибегли и другие бренды. На текущий момент известно о третьем поколении кремний-карбоновых батарей. Причем в характеристиках они могут обозначаться как литий-полимерные.
Преимущества и недостатки кремний-углеродных аккумуляторов
Переход на усовершенствованный тип аккумуляторов становится все более массовым благодаря различным преимуществам этой технологии.Увеличенная емкость. В теории применение кремния в аноде действительно предлагает предел гравиметрической емкости в 10 раз больше по сравнению с классическим графитом.
Однако на практике в аноде используется лишь небольшая доля кремния, так что пока можно говорить о числах в 420–550 mA*h/g. Инженерам удалось увеличить объемную емкость в среднем на 25 % при аналогичных или меньших размерах аккумулятора. Если типичными значениями для большинства смартфонов были 5000 мА*ч, то с переходом на Si-C батареи можно ожидать до 6000-7000 мА*ч.
Уменьшение размеров и веса. Применение кремния также позволяет уменьшить габариты аккумулятора. Например, это можно проследить на сравнении серии HONOR Magic V. С переходом на новые Si-C аккумуляторы инженерам удалось уменьшить вес и толщину раскладушки, не увеличивая кардинально габариты и диагональ.
Аналогичные результаты можно увидеть в смартфонах компании Xiaomi. Китайская версия Xiaomi 14 Ultra оснащается новейшим кремний-карбоновым аккумулятором. Он получился не только меньше своих литий-полимерных сородичей от 14 Pro и 13 Ultra, но и предлагает чуть большую емкость.
Большая мощность быстрой зарядки. За счет использования кремния анодное покрытие теперь способно за тот же промежуток времени «захватывать» больше ионов лития. Это позволило добиться повышенных мощностей для зарядки. Если для Li-Ion/Pol это значения в 35-60 Вт, то с приходом Si-C аккумуляторов типичными становятся мощности в 80-100 Вт.
Работа при минусовых температурах. Батареи Si-C проявляют лучшую стабильность работы при минусовых температурах. И, как показывают некоторые эксперименты, как минимум на примере HONOR Magic 6 Pro, новый тип аккумуляторов действительно лучше переносит морозы. Смартфон продержался в режиме непрерывного воспроизведения видео на морозе в -20 °C больше 13 часов.
Несмотря на все преимущества, у кремний-углеродных батарей имеются и недостатки.
Дороговизна производства. В текущем варианте производство Si-C аккумуляторов обходится дороже, так что встречаются они преимущественно в гаджетах премиум-класса.
Долговечность. Поскольку кремний ощутимо расширяется и сужается в ходе процесса зарядки-разрядки, то это отрицательно сказывается на сроке службы. Согласно исследованию, значительное расширение объема Si-анода создает интенсивную механическую нагрузку на электрод. Это же затрудняет пути переноса электронов и ионов по всей структуре электрода. На практике это приводит к двум главным минусам — уменьшению емкости и снижению долговечности. Поскольку технологию новая, то о конкретных значениях пока говорить рано. Однако если Li-Ion/Pol предлагают в среднем до 1000 циклов, то у Si-C это 500-650 циклов.
Насколько сильно падает емкость, косвенно можно оценить на тесте аккумуляторов 18650 от компании HPQ Silicon. На графике ниже синяя линия — эталонный литиевый аккумулятор с графитовым анодом. Оранжевый, зеленый и желтый графики — Si-C аккумуляторы поколений GEN1, GEN2 и GEN3 соответственно.
Тест потери емкости Si-C аккумуляторов разных поколений
Как можно заметить, новейший GEN3 аккумулятор на протяжении 500 циклов показал сохранение емкости в 85 % по сравнению с показателем эталонного образца графита в 97 % — разница всего 12 %.
Безопасность. Еще один малоисследованный аспект Si-C аккумуляторов. Когда литий-ионные батареи выходят из строя, они способны быстро высвобождать огромное количество энергии, что может привести к тепловому разгону или возгоранию. Кремний-углеродные батареи имеют более высокую плотность энергии. Значит, тепловой разгон может быть еще опаснее для устройств и потребителей.
Кремний-углеродные аккумуляторы представляют собой модификацию литий-полимерных. Вместо графитовых слоев в аноде используются различные кремниево-углеродные структуры. Инженеры активно экспериментируют с их формой, добиваясь максимальной емкости при минимальных деформациях. Такой подход позволил увеличить среднюю емкость АКБ, при этом сохранив или даже уменьшив габариты батареи. Однако Si-C аккумуляторы обладают меньшим числом циклов зарядки-разрядки, а также могут со временем терять больший процент емкости по сравнению с литий полимерными моделями.