Разбираемся, откуда вдруг появились кремний-углеродные батареи, так ли внезапно это произошло, как многим кажется, являются ли они прорывной технологией и чем отличаются от обычных литий-ионных аккумуляторов?
В феврале 2024 года китайская компания Honor представила широкой общественности подробности о новых смартфонах Magic 6 и Magic 6 Pro. Одно из основных новшеств, применяемых в гаджетах, — новый тип аккумуляторной батареи, обладающей улучшенными техническими характеристиками. В частности, утверждается, что батарея морозоустойчива, то есть позволит избежать быстрого разряда смартфона в случае его использования при серьезных минусовых температурах. Этого удалось достичь благодаря кремний-углеродному аккумулятору.
Устройства с такими батареями обладают большей номинальной емкостью (например, у Magic 6 Pro она составляет 5600 мА•ч), меньше в размерах, быстрее заряжаются, меньше нагреваются и значительно лучше работают при низких температурах окружающей среды. В частности, в рамках экспериментальных тестов Magic 6 Pro был помещен в криокамеру (при температуре –20 °С) и проработал 13 часов в режиме использования смартфона для просмотра видеофайлов.
Стоит отметить, что смартфоны Magic 6 и Magic 6 Pro, официально представленные миру в рамках выставки MWC-2024, оснащены уже вторым поколением новых кремний-углеродных аккумуляторов. Первое поколение китайцы протестировали годом ранее: в 2023 году был представлен смартфон Magic 5 Pro с емкостью батареи 5450 мА•ч. Он предназначался исключительно для китайского рынка, тогда как такой же смартфон для других регионов поставлялся с классической литий-ионной батареей емкостью 5100 мА•ч.
Сегодня попробуем разобраться, откуда вдруг появились кремний-углеродные батареи, так ли внезапно это произошло, как многим кажется, являются ли они прорывной технологией и чем отличаются от обычных литий-ионных аккумуляторов?
Новая технология
Когда мы говорим о кремний-углеродных аккумуляторах, то подразумеваем разновидность литий-ионных аккумуляторов, чей анод выполнен из кремний-углеродного наноструктурированного композитного материала вместо графита, который используется в большинстве современных литий-ионных батарей. При этом катод, как и прежде, изготовлен из литийсодержащих материалов, например, оксидов лития-кобальта или лития-марганца.
Безусловно, аккумуляторы, представленные Honor, не появились из ниоткуда. Технологическая база, за счет которой их появление в массовом сегменте потребительской техники стало возможным, разрабатывалась десятилетиями. Первые серьезные попытки заменить графитовый анод кремниевым предпринимались еще в 2000-х. В частности, о научных изысканиях в этой области сообщали исследователи из Стэнфордского университета в 2007 году и их коллеги из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США в 2012 году. За счет способности кремния удерживать в 11 раз больше лития, чем графит, потенциал технологии вынуждал ученых проводить эксперименты один за другим. Вскоре стало ясно, что чистый кремний для этого не подходит из-за повреждений, образующихся в результате изменения объема материала до 300% в процессе эксплуатации (внедрения и экстракции ионов лития).
Аккумуляторы, используемые Honor, разработаны ими совместно с Amperex Technology Ltd. и Group14 Technologies. Как уже было сказано, от классических литий-ионных аккумуляторов они отличаются кремний-углеродным анодом вместо графитового, в то время как в остальном структуры батарей схожи. В процессе заряда аккумулятора ионы лития перемещаются от одного электрода к другому, при разряде происходит обратный процесс. Но не стоит забывать, что в аккумуляторе анод (электрод, на котором протекают окислительные процессы) и катод (электрод, на котором протекают восстановительные процессы) меняются местами в зависимости от режима работы, из-за чего может возникать путаница в определениях. В некоторых случаях удобнее использовать термины положительный электрод и отрицательный электрод. Тогда при заряде аккумулятора положительный электрод будет выступать в роли анода, а отрицательный — катода. При разряде батареи положительный электрод станет катодом, а отрицательный — анодом, что соответствует определениям ГОСТ 15596-82 («Источники тока химические. Термины и определения»).
В силу определенных физических ограничений технология литий-ионных аккумуляторов давно достигла своего пика в контексте энергетической плотности, поэтому повышать емкость аккумуляторов удавалось...