Prawdopodobnie nie ma gorętszego podzespołu w telefonie niż bateria. I bynajmniej nie chodzi o wybuchowe konstrukcje Samsunga. Technologia akumulatorów rozwija się wolno, a ekrany rosną. Czy w najbliższym czasie czeka nas jakaś rewolucja?

W 2016 roku Samsung powrócił do globalnej dystrybucji serii Note. Ówczesna odsłona z numerem 7 miała być nowym otwarciem dla serii – z nowoczesnym designem i smukłą obudową producent celował w komercyjny sukces nie tylko na azjatyckim rynku. Okazało się, że w pościgu za wyglądem Samsung zapomniał o baterii. Umieszczenie jej w zbyt wąskiej obudowie sprawiło, że elektrody dodatnie i ujemne mogły się stykać, co powodowało samozapłon.

Sprawa nie należy do najzabawniejszych, natomiast jest ona kolejnym dowodem o tym, że producenci zapominają o bateriach. Po raz pierwszy baterię litowo-jonową wyprodukowano w roku 1991, a w latach dwutysięcznych już na dobre zagościła ona w telefonach. A jak działała?

Al(e)chemia

Bateria to mały pojemniczek z dużą ilością chemii, zupełnie jak sałatka jarzynowa z marketu. Najpopularniejszą obecnie technologią są akumulatory litowo-jonowe, które wyparły poprzednią technologię wodorkową. W baterii najważniejsze są trzy elementy – elektrody czyli anody i katody oraz elektrolit. Między elektrodami zachodzi proces przejścia elektronów z atomów jodu, przez co atomy zmieniają swój ładunek z dodatniego na ujemny, a ich jony położenie – najczęściej z anody na katodę. Odwrotna reakcja ma miejsce, gdy ładujemy naszą baterię – wtedy do atomów przyłączają się protony i przenoszą się z powrotem na anodę. W całym procesie przejścia, podczas którego odbiornik (czyli smartfon) zużywa energię pomaga elektrolit, w którym to zachodzą reakcje chemiczne związane z utlenianiem – procesem oddawania części atomów litu. Przez elektrolit nie przechodzą same elektrony – te wędrują do odbiornika. Przenosi on natomiast całe dodatnio lub ujemnie załadowane atomy na anodę lub katodę w zależności od obiegu prądu.

Transfer energii w baterii (CC: How Stuff Works)

Za tymi reakcjami stoi dość prosta konstrukcja. Anoda jest wykonana z węgla – obecnie z jego cieńszej, zatomizowanej formy – grafenu. Katoda to z kolei mieszanina tlenków metali – najnowszą użytkowaną technologią jest kombinacja litu, żelaza i fosforanu (LiFePO4). Transfer jonów przebiega w elektrodzie – ta jest solą litu rozpuszczoną w organicznym rozpuszczalniku. Taka technologia pozbawia je tzw. efektu pamięci – obniżania się napięcia oraz stopnia maksymalnego naładowania w wyniku regularnego poboru i dostawy energii, co było zmorą akumulatorów wodorkowych.

Mnogość dróg, jednak żadna to nie skrót

Nad zmianą technologii, którą stosujemy od lat 90., pracuje wiele firm i start-upów. Nie brakuje projektów ulepszających obecne osiągnięcia, ale i takich, które miałyby zmienić zasady gry. Na razie jednak żaden nie wydaje się być blisko konsumenckiego portfela.

Zbawienny grafen

O grafenie mówi się sporo. Przypominająca plastry miodu siatka atomów węgla jest cienkim, ale i trwałym materiałem. Doskonale przewodzi ciepło, a elektrony zachowują w nim dużą ruchliwość. To pozwala myśleć o nim jak o materiale, który szybko pozwoli naładować akumulator bez większej utraty prądu. Testuje się go wszędzie – przy panelach słonecznych, w ekranach e-ink czy nawet w farbach do włosów.

Zastosowania grafenu naturalnie wiążą się z akumulatorami. Budowanie anod z pomocą tego materiału pozwoli na szybsze ładowanie przy jednoczesnym zmniejszeniu masy konstrukcji. Zastosowanie połączenia grafenu i tlenku wanadu może przyspieszyć ten proces nawet do kilku minut.

Właśnie na taką konstrukcję postawiła firma G-King. Ich powerbank o pojemności 4800 mAh (telefony mają około 3000 mAh) naładowano od zera do stu procent w ciągu 15 minut. Co więcej, urządzenie ma przetrwać do 3500 takich cykli ładowania – przy zwykłych bateriach wynik oscyluje w granicy 1000 ładowań. Jednak patrząc na konstrukcję z 2016 widać, że nie ma mowy o miniaturyzacji i kompaktowym rozmiarze.

baterie
Nowa technologia Samsunga ma pozwalać na tworzenie anod przypominających… popcorn (fot. materiały prasowe Samsunga)

Samsungowy Instytut Technologii Zaawansowanej (SAIT) opracował pod koniec 2017 roku grafenowe kule. Ważniejsze od dziwnego nazewnictwa jest to, że baterie zbudowane z takich kulek mogłyby być o 45% bardziej pojemne przy zachowaniu tego samego rozmiaru, a ich ładowanie miałoby się odbywać do pięciu razy szybciej. Twórcy baterii w reakcji syntezy połączyli ze sobą grafen i tlenek krzemu, tworząc kule o strukturze popcornu. Samsung wyznaczył zespół do pracy nad komercjalizacją tego rozwiązania, jednak nie stanie się to zbyt szybko.

Pianki i powietrzne zabawki

Peter G. Bruce przeprowadził udany eksperyment, w którym katodę baterii litowo-jonowej stanowiła mieszanka tlenu i azotu, zwana potocznie powietrzem. Podobną wydajność można zachować przy 1/10 masy, a ładowanie ma być od 3 do 5 razy szybsze. Co ważniejsze dla tego eksperymentu, powstałe baterie nie degradują elektrod, dzięki czemu zachowują prawidłową wydajność przez dłuższy czas. Problemem jest osuszanie powietrza. By taki akumulator zadziałał, wilgotność musi być równa zeru, a nawet najszczelniejsza bateria do swojej konstrukcji może przepuścić odrobinę wody. Dlatego też koszt takiego ogniwa jest nieporównywalnie wyższy w stosunku do klasycznych baterii.

Zostając przy powietrzu, ciekawą alternatywę zaprezentował start-up Prieto. Ich projekt uwzględniałby znaczące zmiany w konstrukcji baterii. Przede wszystkim zrezygnowano by z płynów, które w bateriach stanowią elektrolity, zmniejszając przy tym szkodliwość i eliminując wybuchowość akumulatora. W ich miejsce wkroczyła pianka polimerowa. Katoda i anoda nie są od siebie oddzielone, a przenikają się za pomocą pianki. W jej skład wchodzą związki miedzi. Całość wytwarza się za pomocą drukarki 3D. Firmę pod swoje skrzydła wziął Intel i rezultaty współpracy są obiecujące. Nic więcej

No to może szybkie ładowanie?

Skoro nie możemy się doczekać nowych technologii, to może chociaż warto przyspieszyć proces ładowania? Najwięksi producenci, niezależnie od Qualcomma i ich technologii QuickCharge, opracowują rozwiązania mające im dać przewagę. Jednym z takich producentów jest Huawei.

Połowa z 3000 mAh baterii naładowana w 5 minut? Brzmi jak marzenie, ale Huawei konsekwentnie dąży do jego realizacji. Niewiele detali zostało ujawnionych, bo chiński producent nie chce zdradzać ich konkurencji. Wiadomo jednak, że ładowany akumulator jest wymienny i wkładany do dużej ładowarki, która kondensuje energię. Biorąc pod uwagę rozmiar urządzenia oraz fakt, że producenci zrezygnowali już z wymiennych akumulatorów, nie jest to rozwiązanie skazane na sukces.

Eesha Khare nie była zadowolona z powolnego ładowania (fot. mat. prasowe Intela)

Bardziej realny, choć wyciszony, jest projekt miniaturowego superkondensatora z 2013 roku. Miałby on za zadanie gromadzić dużą dawkę energii i wysyłać ją jedną wiązką do akumulatora. Za takim pomysłem stoi Eesha Khare, w tamtym czasie 18-latka. Jej główną motywacją było przyspieszenie ładowania telefonów. Jak widać po testach, zadanie się powiodło. Co więcej, superkondensator jej autorstwa mógłby być wykorzystany 10 000 razy, co średnio wystarczy na 10 cykli życia baterii. Projekt przejął Intel i słuch o nim zaginął. Inni producenci, jak Zap&Go podchwycili ten pomysł i planują wdrożyć go komercyjnie, jednak nie na masową skalę i jeszcze nie w smartfonach.

Bezczynne czekanie?

Nie jesteśmy w stanie wiele zrobić z naszymi akumulatorami. Możemy jedynie o nie prawidłowo zadbać. Aby to zrobić, warto skorzystać z kilku porad.

  • Smartfon najlepiej ładuje się, gdy nie musi pracować. W miarę możliwości skorzystaj z trybu samolotowego.
  • Nie rozładowuj akumulatora do zera. Najlepiej jest rozpocząć ładowanie telefonu, gdy bateria wskazuje około 30%.
  • Uważajcie na aplikacje pracujące w tle, jak Facebook czy Messenger, które pobierają sporo danych.
  • Warto wyłączać niepotrzebne w danej chwili moduły łączności jak GPS i Wi-Fi. W telefonach z systemem iOS należy wyłączać je z poziomu ustawień – z poziomu panelu sterowania rozłącza się jedynie połączenie z punktem łączności.

Autor: Michał Mielnik