Views Comments Previous Next Search
Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро — Индустрия на Look At Me

ИндустрияПочему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро

Как нанокремний выручит производителей аккумуляторов

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 1.

материал подготовил
Антон Мухатаев

8 июля на сайте Scientific Reports появилось исследование сотрудников Калифорнийского университета в Риверсайде. Из него следует, что нанокремний, полученный из кварцевого песка, в 3 раза увеличивает время работы литиево-ионных аккумуляторов, которые сегодня применяются в большинстве электронных приборов. В то же время IBM, похоже, намерена отказаться от кремния в производстве микросхем: компания вложила 3 миллиарда долларов в исследование, одна из задач которого — создать альтернативную технологию. Look At Me разузнал, почему в одной индустрии на кремний переходят, а в другой от него хотят отказаться.

 

Почему современных аккумуляторов не хватает надолго?

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 3.

↑ Так выглядит литиево-ионный аккумулятор для Tesla

Литиево-ионные аккумуляторы появились в потребительской электронике в начале 1990-х годов. С тех пор их постоянно совершенствуют, и до недавнего времени они поспевали за развитием портативных устройств. Но за последние несколько лет мобильные технологии совершили такой рывок, а требования к технике настолько выросли, что многим производителям карманной электроники пришлось поступиться принципами и начать выпускать продукты, работающие от одной зарядки значительно меньше, чем раньше. Простейший пример — мобильный телефон, который раньше заряжали раз в несколько дней, а теперь — каждый день, а особо активные пользователи — дважды в день. Увеличивают время работы в основном оптимизациями — как на программном, так и на аппаратном уровне.

   

ЛИТИЕВО-ИОННЫЕ АККумуляторы: Как они работают?

 

Вместимость литиево-ионных аккумуляторов ограничивают материалы, из которых изготовлены электроды, — туда двигаются ионы лития, от заряда которых питаются устройства. В качестве отрицательного электрода (катода) обычно используются материалы на основе лития, в качестве положительного (анода) — графит. Когда вы заряжаете аккумулятор, ионы переходят из катода в анод, а когда он разряжается, ионы движутся в обратном направлении, что создаёт электричество. Графит может держать сравнительно немного ионов, из-за чего вместимость аккумуляторов оставляет желать лучшего.

 

Как кремний увеличит время работы аккумуляторов?

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 4.

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 5.

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 6.

кварцевый песок можно найти повсюду

Анод из кремния теоретически может удерживать в 10 раз больше ионов, чем анод из графита, на практике — в 3 раза больше. Учёные давно об этом знали, но проблема была в том, что кремний, поглотивший ионы, укрупнялся в четыре раза — для аккумулятора такое не годится. К тому же кремний было сложно производить в больших количествах, так как он быстро распадался.

Исследователи из Калифорнийского университета придумали, как дёшево получать пористый кремний, который от заряда увеличивается в размерах только на треть. Идея пришла полгода назад изобретателю Закари Фейворсу, когда он отдыхал на пляже в Калифорнии. Учёный решил, что кремний можно получить из кварцевого песка. Для этого нужно очистить и измельчить песок, смешать его с солью и магнием, после чего нагреть. В ходе химической реакции соль поглотит тепло, а из магния с кварцем получится чистый нанокремний с пористой структурой. Если зарядить нанокремний ионами, то заполнятся поры, а в абсолютном измерении он укрупнится незначительно.

   

Схема реакции по получению чистого пористого кремния из кварцевого песка

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 7.

Над тем, как улучшить конструкцию литиево-ионных аккумуляторов, думают постоянно, но по разным причинам (стоимость и сложность производства, безопасность) на потребительской электронике это редко отражается. Так, 27 июля появилось исследование учёных Стэнфордского университета, где говорится о том, что самым эффективным материалом для анода литиево-ионного аккумулятора может стать металлический литий. Чтобы защитить аккумулятор (литий — взрывоопасный материал), предлагается использовать тончайший углеродный щит. Говорить о практическом применении изобретения пока рано: потребуется ещё немало испытаний и доработок, прежде чем учёные убедятся в полной безопасности этой технологии.

В случае с анодами из кремния всё иначе: уже есть стартап Amprius, аккумуляторы которого дают результаты на 10—50 % лучше, чем аккумуляторы с анодами из графита. В перспективе, когда технологию доведут до ума и поставят на поток, можно говорить о смартфонах и ноутбуках, которые работают сутками, и носимых устройствах, которые можно не снимать неделями. Случиться это должно в ближайшие несколько лет.

 

Раз кремний такой хороший материал, почему от него хотят отказаться в микросхемах?

Почему смартфоны и ноутбуки разряжаются так быстро. Изображение № 9.

↑ Транзистор Intel шириной в 22 нанометра, напечатанный с помощью 3D-принтера

Закон Мура всё ещё работает: количество транзисторов, которые помещаются на микросхеме, продолжает устойчиво расти. Но толку от этого всё меньше: если с 1994 по 1998 год предельная частота центральных процессоров выросла в четыре раза, то с 2007 по 2011 год — только на треть. К тому же переход на новый технологический процесс становится с каждым разом всё затратнее. Сейчас Intel производит процессоры с шириной транзистора 22 нанометра, а в следующем году собирается перейти на 14 нанометров. Затем последуют 7 и 5 нанометров — а это уже размеры больших атомов, что может вызвать непредсказуемые квантовые эффекты.

   

From Sand to Silicon: The Making of a Chip, видеоролик компании Intel, описывающий создание микросхем

 

Надёжность микросхем с совсем крохотными транзисторами производители гарантировать не в состоянии, а потому ищут альтернативные пути развития. Такими могут стать нейросинаптические и квантовые вычисления: в первом случае они ведутся аналогично взаимодействиям нейронов и синапсов в головном мозге, во втором — по законам квантовой механики, которые не ограничиваются двоичной системой состояний. Другие технологии, о которых задумывается IBM, — нанофотоника, предлагающая передавать информацию не электрическими, а световыми импульсами, и углеродные нанотрубки, которые позволяют увеличить производительность в сравнении с кремнием в 10 раз.

Над внедрением всего этого предстоит ещё долго работать, поэтому в ближайшие несколько лет кремний из микросхем никуда не денется — другое дело, что прогресс в их производстве почти наверняка замедлится. Для простого потребителя это вряд ли станет катастрофой: простор для разного рода оптимизаций остаётся безграничным. Так что производительность точно продолжит стремительно расти, а последние усовершенствования в технологии литиево-ионных аккумуляторов позволят больше не ограничивать тех, кто выпускает портативную электронику.

 

Рассказать друзьям
3 комментарияпожаловаться

Комментарии

Подписаться
Комментарии загружаются
чтобы можно было оставлять комментарии.