Как энергоэффективность аккумуляторов зависит от их мощности

Главная-Статьи-Проблема низкой энергоэффективности li-ion батарей, и как ее решают

Проблема низкой энергоэффективности li-ion батарей, и как ее решают

Проблема низкой энергоэффективности li-ion батарей, и как ее решают
Нет никаких сомнений в том, что именно литий-ионные аккумуляторы на сегодня являются самыми популярными и используемыми в мировом масштабе. Именно эти аккумуляторные батареи можно встретить практически в любых мобильных приборах: от гаджетов вроде смартфона и планшета до электромобилей. Однако даже такой востребованный энергоисточник имеет свои значимые недостатки:
1. Высокие требования к температурному режиму: никаких резких скачков окружающих температур, а также «боязнь» сильной жары или холода. Из-за чего литий-ионные аккумуляторные батареи крайне редко задействуются в сложных климатических условиях: в северных или южных широтах, на промышленных производствах вблизи работающих цехов либо на космических станциях. Или если и задействуются, то очень осторожно и ограничено. Низкая энергетическая эффективность. Говоря упрощенно: то для заряда li-ion аккумулятора необходимо намного более высокое напряжение, чем батарея способна далее обеспечить в процессе разряда. Данный эффект был назван гистерезисом напряжения. И самый главный его недостаток — значительные энергопотери. А, соответственно, это ведет к росту расходов конечного потребителя. И если с первой задачей производители и ученые постепенно учатся справляться, в том числе через внедрение более защищенного корпуса для батареи, то со второй задачей ситуация обстоит сложнее.

Решение найдено
В сентябре 2021 года международная команда ученых, в том числе специалисты Сколково, обнаружили способ обоснования иной природы процесса гистерезиса напряжения.

Вкратце, экспериментальным путем ученые обосновали иное объяснение работы литий-ионных батарей — как замедленный перенос электронов между атомами кислорода и металлов в кристаллической решетке катода внутри аккумулятора. Ранее же считалось, что все дело в миграции атомов во время зарядки/разрядки аккумулятора.

Какие перспективы
Во-первых, новое обоснование потери энергии в процессе работы li-ion аккумуляторов позволит искать совершенно иные пути для решения этой проблемы. То есть ранее ученые попросту «искали не там и не то», поскольку опирались на не совсем верное суждение природы энергопотерь литий-ионных батарей. В конечном же итоге и в плане практического применения, возможность задействовать катодные материалы следующего поколения на базе литий-обогащенных оксидов откроет пути для повышения эффективности аккумуляторов. К примеру, возможность в 2-3 раза расширить их емкость. А значит, увеличить продолжительность автономной работы смартфонов, наушников и прочих мобильных устройств или параметры пробега электромобилей.

Возврат к списку

Литий-ионные аккумуляторы используются во всех портативной электронике, электромобилях и, например, на солнечных или ветряных электростанциях, где они накапливают энергию и сглаживают колебания от смены погоды. Несмотря на преимущества этой технологии, зависимость от лития является экономическим фактором риска, поскольку промышленно значимые соединения этого металла неуклонно дорожают, их производство неэкологично, а месторождения очень неравномерно разбросаны по миру. Альтернатива в каком-то смысле напрашивается сама собой — это расположенный на одну клетку ниже в таблице Менделеева куда более распространённый щелочной металл натрий.

Натрий-ионные аккумуляторы — сравнительно новая технология. Хотя базовая архитектура батареи не меняется, для изготовления её компонентов нужно заново подбирать оптимальные материалы. В том числе для катода, который сильно влияет на характеристики аккумулятора. В своём недавнем исследовании учёные из Сколтеха и МГУ предсказали, синтезировали и испытали новый катодный материал, который обеспечивает энергоёмкость натрий-ионной батареи на 10–15% выше, чем с ранее доступными материалами.

«На самом деле, и наш материал, и прежний рекордсмен по энергоёмкости называются одинаково: фторидофосфат натрия — ванадия. Дело в том, что оба вещества состоят из одних и тех же атомов, но соотношение между элементами разное. И кристаллическая решётка тоже», — пояснил соавтор исследования, старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов.

«Так называемые слоистые катодные материалы тоже уступают нашему: по энергоёмкости значимого преимущества нет, но зато есть по стабильности, а это — более долгий срок службы и энергоэффективность, — продолжил Федотов. — Удивительно, но даже потолок теоретически возможных характеристик прежних материалов ниже, чем экспериментально достигнутые нами показатели с новым материалом — это существенно».

По словам учёных, по мере разработки более эффективных материалов для натрий-ионных аккумуляторов эта технология будет всё лучше конкурировать с литий-ионными аналогами и сможет прежде всего заменить их в таких применениях, как источники питания электробусов и грузовиков на электроприводе, а также в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях.

«Высокой энергоёмкостью преимущества не ограничиваются. Катоды из нашего материала могут работать при сравнительно низких температурах, что, в частности, актуально для России», — добавил Федотов.

Первый автор работы, стажёр-исследователь Семён Шраер из Сколтеха, рассказал о подходе научной группы к поиску материалов для аккумуляторов: «В „батареечном“ сообществе в целом больше принято искать материалы или эмпирически, то есть методом проб и ошибок, или проверяя одним махом огромный набор соединений. Наш же подход — рациональный дизайн на основе химии твёрдого тела: мы отталкиваемся от фундаментальных законов и принципов и стараемся прийти к материалу с желаемыми свойствами».

«Теоретические соображения подсказали нам базовую формулу материала, который мог бы обеспечить высокую энергоёмкость, — продолжил Шраер. — Следующий этап — понять, какая кристаллическая структура сможет позволить полностью реализовать эту ёмкость. Мы выбрали решётку по образу и подобию титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий нова. После того, как теоретическую часть подробно проработали и стало ясно, что это конкретное соединение с этой конкретной решёткой должно сработать, мы его синтезировали методом низкотемпературного ионного обмена, и его превосходные характеристики получили подтверждение в эксперименте».

Освещённое в пресс-релизе исследование профинансировано грантом РНФ № 20-73-10248.

18 февраля — День батарейкиИстория создания батарейкиСегодня день рождения батарейки и ей исполнилось 223 года!Изобретение первого химического источника тока, полученного в лабораторных условиях, принято датировать 1799 годом. Но самая первая батарейка была изобретена в 1800 году ученым-физиком, химиком и физиологом Алессандро Вольтом. Он является основоположником учения об электричестве, он работал над первым в мире гальваническим элементом, названным Вольтовым столбом, это изобретение стало прообразом современных батарей. В дальнейшем инициативу по усовершенствованию элементов питания подхватили компании, первой из которых была Eveready. Реализуемая компанией продукция лишь отдаленно напоминала современные виды элементов питания. Предназначались первые батарейки для радиоприемников, в дальнейшем электропитание на основе химического взаимодействия распространилось в машиностроительной отрасли.

Батарейка – источник электороэнергииВ современном мире батарейки и аккумуляторы играют не маловажную роль. Батарейка – это источник электороэнергии. Батарейка очень удобна в использовании, доступный источник питания, благодаря которому мы сегодня можем быть не привязаны к электросетям. В современном мире это различные гаджеты: ноутбуки, наручные часы, смартфоны, пульты, фонарики, аккумулятор для машин и т. Ученые постоянно работают над совершенствованием батареек и аккумуляторов, чтоб сделать их более безопасными, экологичными, увеличить скорость заряда. С момента создания первой батарейки на сегодняшний день появилось 5 самых распространенных видов батареек: солевые, щелочные, литиевые, серебряные и воздушно-цинковые. Батарейки отличаются по форме:— АА (пальчиковые) – цилиндрические тонкие батарейки, используемые в мелкой технике. — ААА (мизинчиковые) – цилиндрические батарейки, тоньше пальчиковых, но могут применяться в тех же приборах. — С (бочка)  – похожи по форме и размеру на пальчиковые и мизинчиковые, но очень громоздкие и тяжелые. — Крона – отличается от предыдущих — размерами, формой  и самым высоким напряжение. — Таблетка – по виду напоминает таблетку, круглая, толщина может быть разная.

• Первая батарея была создана около 2000 лет назад, и никто не знает, для чего она была предназначена. Рабочие нашли ее на стройке железной дороги под Багдадом. Она состояла из глиняной банки, уксусоподобной жидкости, железного прута и медного цилиндра вокруг. Не все ученые сходятся во мнении относительно того, действительно ли это была батарея. По некоторым данным, это было простое устройство для золочения предметов.
• Если элемент питания подвергнуть заморозке до -15 градусов, то он восстановит свои свойства. Но если держать его в -40 и больше, то он серьезно повредится.
• Самая большая батарея в мире находится в Фэрбенксе, Аляска. Когда в городе выходит из строя традиционное энергоснабжение, емкости аккумулятора достаточно, чтобы восстановить жизненно важные функции города.
• Затраты энергии на производство аккумуляторных и одноразовых батарей в 50 раз больше, чем электрическая энергия, которую они производят за весь срок своей эксплуатации.
• Хватит одной никель-кадмиевой батареи мобильного телефона, чтобы загрязнить 600000 литров воды! Это эквивалентно трети объема олимпийского бассейна.
• Самый минимальный срок хранения у солевых батареек (от 2 до 4 лет), а максимальный у щелочных (от 5 до 7 лет). Срок годности зависит от качества батарейки, типа и условий хранения. Батарейки имеют особенность очень быстро разряжаться, если хранение осуществляется при высокой влажности или в жарком.

Вред и польза батареекВ России продают и выбрасывают в среднем 20 тысяч тонн батареек, это примерно миллиард штук. Собирают же из них не более 1%. Перерабатывается не более 1,7% из них. Каждый россиянин выкидывает в год примерно 7 батареек, а средняя семья потребляет за год примерно 70 батареек. В отработанных элементах питания содержится много опасных химических элементов, которые могут навредить здоровью человека и окружающей среде. Например, одна батарейка разлагается в течение ста лет, загрязняя свыше 20 м² земли и 400 литров воды, убивая одного ежика, два дерева, несколько тысяч дождевых червей, для человека серьезные заболевания – от нервных расстройств до онкологических болезней. Поэтому необходимо правильно утилизировать отработанные элементы питания. Очень важно не выкидывать в мусорное ведро с другими отходами, а отдавать в специальные приемники. Батарейки перерабатывают в суспензию / жижу и вторично используют. Переработка батареек позволяет добыть ценные металлы, сохраняет экологию и наше здоровье. Например, из 100 батареек получается 100 карандашей, 1 столовый прибор и чуть больше 1 кг удобрений. Батарейка – это не только источник опасных, но и ценных веществ. При правильной утилизации они будут нести не только вред, но и пользу.

Он стал победителем суперфинала четвёртого сезона конкурса «Лидеры России» в треке «Наука».

«Я бы вам хотел презентовать новую технологию адсорбирования природного газа. Используется специальный нанопористый материал, который за счет физического взаимодействия и при пониженном давлении обеспечивает высокую емкость молекул метана в порах этого адсорбента. За счет сниженного давления таких систем и высокой емкости можно значительно снизить энергозатраты и даже стоимость газа. Технология разработана совместно с компанией «Газпром», они нас поддерживают в реализации этих проектов», — сказал молодой ученый.

В качестве одного из применений данной технологии он привел «новое поколение газовых аккумуляторов для автотранспорта» — бортовой адсорбционный аккумулятор природного газа. «Они имеют плоскую конструкцию (толщина 100-120 мм), это повышенная эргономика и экономия полезного пространства в багажном отделении автомобиля. Может устанавливаться внизу багажника и работать», — поделился Меньщиков.

Использование таких аккумуляторов способно повысить энергоэффективность процесса заправки, увеличить межзаправочный интервал, снизить пожарную и взрывную опасность, отмечается в его презентации.

В презентации Меньщикова приведены фотографии автомобиля Lada на адсорбированном природном газе.

«Это может быть очень востребовано», — поддержал докладчика Мишустин.

Также новая технология может стать основой для решения задач мобильного газоснабжения потребителей различных категорий и сглаживания нагрузок на ГТС. Такие системы можно применять для поставок удаленным потребителям, в системах энергорезервирования предприятий, а также в системах сглаживания пиковых нагрузок на объектах ГТС, отмечается в презентации.

Химик также рассказал, что разработка может быть применена и в такой стратегической области как система резервирования газа. «Технология адсорбирования природного газа является выгодной альтернативой крупным комплексам газового резервирования, таким как ПХГ, особенно там, где нет условий и возможностей для их строительства», — уверены российские ученые.

«Единая система газоснабжения включает не только трубопроводы, но и подземные хранилища газа. Проблема заключается в том, что их нельзя располагать там, где нужно потребителю — для этого нужны соответствующие геологические и географические условия. Наша технология позволяет строить их не там, где это можно, а где это нужно. И это дополнительное преимущество. Пока это в виде концепции, но мы надеемся на развитие», — добавил он.

Как сообщалось, в 2017 году «Газпром» и Российская академия наук определили семь прогрессивных технологий, способных оказать максимальное влияние на деятельность компании. Были заключены договоры на проведение соответствующих НИОКР. В том числе была начата работа по теме «Разработка инновационных материалов для хранения и транспортировки природного газа метана» с ИФХЭ им. Фрумкина РАН. Работа должна обеспечить кратное увеличение адсорбционной способности по метану в новых нанопористых адсорбционно-активных материалах разной химической природы для систем транспортировки и хранения газа.

По сообщению Минобрнауки России, лаборатория ИФХЭ РАН разработала технологию получения функционального адсорбента высокой плотности на основе циркониевой металл-органической каркасной структуры (МОКС).

Адсорбционное аккумулирование — сравнительно новый и перспективный способ хранения и транспортировки природного газа до потребителя. При адсорбционном аккумулировании природный газ заполняет поры адсорбента и находится в нем в связанном (сорбированном) состоянии в поле дисперсионных сил. Перспективные адсорбционные системы могут аккумулировать до 200 л газа на 1 л объема системы при температурах от -40 до +50 градусов. Заправка систем производится при более низких давлениях, что снижает энергозатраты по сравнению, например, с компримированным природным газом. При хранении адсорбированного метана потерь топлива не происходит, а поддержание системы не требует энергозатрат. Адсорбированный газ отличается повышенной пожаро- и взрывобезопасностью, поскольку находится в связанном состоянии в порах адсорбента.

Формованные блоки адсорбента на основе циркониевого металл-органического каркаса были получены путем компактирования с добавлением специальных связующих веществ. Подбор оптимальных условий формования (давления и связующего) позволяет более чем в два раза увеличить плотность адсорбента при минимальном разрушении структуры пор.

Эксперименты показали, что сосуд объемом 100 мл, снаряженный компактированным адсорбентом, может запасти до 10-12 л метана в интервале давлений от 2 до 4 Мпа. Это в 2-3 раза больше, чем для емкости без адсорбента, заполняемого сжатым метаном. Кроме того, в процессе заправки такого баллона адсорбентом температура системы повышается не более чем на 15 градусов, что значительно меньше, чем в баллонах, загруженных, например, активированными углями.

«Металл-органические каркасные структуры выгодно отличаются от других пористых материалов тем, что структуру, размер и форму пор адсорбента можно подобрать для решения конкретной задачи. Синтезировать такие материалы можно полностью из реактивов отечественного производства», — уверены авторы разработки.

Читайте «Интерфакс-Образование» в «ВКонтакте»

По материалам Android Central

Когда мы говорим о зарядке наших смартфонов, мы больше всего уделяем внимание таким параметрам, как скорость и удобство. Постепенно зарядка даже стала одним из критериев при выборе нового смартфона, а также маркетинговым преимуществом, которое подсвечивают в анонсах. Но есть и еще один параметр, и хотя говорят о нем гораздо меньше, он также является очень важным: это энергоэффективность.

Энергоэффективность зарядки — это показатель, который определяет, сколько энергии тратится при зарядке впустую и насколько сильно нагреваются аккумуляторы наших смартфонов. С последним явлением мы знакомы, тем более что все видели, что происходит, когда батареи становятся слишком горячими. Но вот о первом никто не беспокоится. Все дело тут в масштабе проблемы — даже самый неэффективный метод зарядки телефона расходует гораздо меньше электроэнергии, чем постоянно включенные в сеть микроволновая печь, телевизор или игровая приставка. Тем не менее, это предмет, достойный изучения.

Самый энергоффективный способ зарядки телефона одновременно является и самым медленным способом: это простое зарядное устройство USB-A на 5 В 1 А в сочетании с коротким и толстым кабелем, подключенным непосредственно к вашему телефону. Одновременно это еще и метод, которым большинство людей никогда не воспользуются, потому что это недостаточно быстро, а, как мы говорили выше, скорость и удобство имеют самое большое значение.

Но есть и хорошая новость. Это то, что быстрая зарядка, будь то проприетарное решение от таких компаний, как Qualcomm или OnePlus, или более распространенное, как то, что консорциум USB предлагает, продвигая стандарты USB, такие как Power Delivery, — все они становятся намного более энергоэффективными. Это не случайный эффект, поскольку все компании, работающие в этом направлении, стараются дать пользователю возможность заряжать смартфон быстрее, чем когда-либо, и при этом сделать его более безопасным, чем когда-либо.

Если говорить о более быстрой зарядке, то большая часть улучшений в этой области имеют программный характер. Разработать зарядное устройство, которое будет обеспечивать большую мощность, относительно просто, и есть способы сделать так, чтобы они оставались более холодными. Так, большим прорывом в этой области стали нитрид-галлиевые (GaN) зарядные устройства. Тем не менее, наиболее важным фактором является возможность в нужные моменты использовать более высокую мощность и уменьшать ее, когда этого не требуется.

Когда ваш смартфон подключен по проводу, это позволяет точно знать, сколько энергии поступает в зарядный порт, сколько энергии батарея может безопасно «поглотить» и температуру всех задействованных схем. Когда устройство может эффективно обмениваться данными с зарядным устройством, им можно управлять, чтобы обеспечить необходимое смартфону питание. Основной целью этого обмена данными является безопасность, но попутно это должно повышать и энергоэффективность, поскольку меньшее количество тепла означает меньшие потери энергии.

Беспроводная зарядка идет по тому же пути, но ей гораздо сложнее управлять. Не все об этом задумываются, но проводное и беспроводное зарядное устройство во многом сходны. А самое большое различие заключается в размере воздушного зазора, расстояния между двумя катушками. Можно преобразовать мощность переменного тока, поместив две катушки очень близко друг к другу, а количество витков медного провода определяет изменение напряжения: так, 10 000 витков на входной катушке и 1000 витков на выходной катушке могут понизить напряжение на 90%.

Беспроводное зарядное устройство использует две катушки, расположенные близко друг к другу, для передачи напряжения вместо его преобразования. Входная катушка находится в зарядном устройстве, а выходная катушка — в вашем телефоне, и когда на входную катушку подается ток, он испытывает колебания, а магнитное поле, в свою очередь, вызывает колебания выходной катушки в телефоне. Когда медная катушка испытывает колебания в магнитном поле, она генерирует ток. Это очень примитивное объяснение, в котором не учитываются некоторые мелкие детали, но его легко понять, если вы не инженер.

Эффективность такого катушечного трансформатора во многом зависит от упомянутого выше воздушного зазора — чем больше зазор, тем меньше энергии может быть передано. Не обращаясь к математике и не касаясь незначительных исключений, можно отметить, что энергоэффективность пары индуктивных катушек составляет порядка 70% от эффективности электрической цепи с прямым подключением. Это означает, что на 30 % больше энергии теряется в виде тепла на участке между розеткой и телефоном, когда вы подключаете его к беспроводному зарядному устройству.

Наконец, энергоэффективность зарядки также зависит от того, что происходит внутри телефона, когда он передает ток от зарядного порта или катушки беспроводной зарядки к аккумулятору. Компании, производящие телефоны, работают над тем, чтобы передать энергию аккумулятору, не нагревая его. Теоретически это невозможно, но можно немного уменьшить этот эффект. Компоновка OnePlus Warp Charge Wireless и других подобных устройств значительно улучшает этот показатель за счет использования схем с накачкой заряда, т. зарядовых насосов. Теперь стала возможна быстрая зарядка со скоростью, сравнимой с проводной, при этом без выделения большого количества дополнительного тепла.

Подводя итог, ни один метод зарядки телефона не приводит к большим потерям энергии. Но некоторые из них более энергоффективны, и производители телефонов работают над тем, чтобы сделать их более удобными и снизить напрасный расход энергии.

Как работает режим энергосбережения

Смартфон собрал в себе множество полезных функций, без которых невозможно представить нашу жизнь. Согласитесь, все портит разряженный аккумулятор: иногда элементарно не хватает времени подзарядить его, а пауэрбэнка под рукой нет. Как действовать в такой ситуации? Во-первых, реже пользоваться смартфоном, чтобы не остаться с выключенным устройством. Во-вторых, включить режим экономии заряда — пожалуй, это лучший способ снизить энергопотребление смартфона. Им пользуются не только те, у кого устройство на грани разрядки, но и пользователи, у кого есть определенные сложности с аккумулятором. Однако вопросы к этому режиму все равно остаются: разбираемся, как работает режим энергосбережения, опасно ли им пользоваться постоянно и какие функции смартфона отключаются в этом состоянии.

Все, что вы хотели знать про экономию заряда в смартфоне

Что такое режим энергосбережения

Режим экономии заряда — это специальная функция, которая позволяет сохранить смартфон в рабочем состоянии при низком заряде аккумулятора. При переходе в этот режим происходит ограничение работы функций или отключение некоторых энергоемких процессов в смартфоне. Режим энергосбережения может включаться вручную или автоматически при достижении определенного процента заряда аккумулятора.

Смартфон разряжается? включайте экономию заряда

Включив его, вы сразу можете увидеть, насколько увеличилось ожидаемое время работы: данные носят приблизительный характер и могут меняться в зависимости от интенсивности использования смартфона. Некоторые производители добавляют сразу несколько режимов энергосбережения, среди которых есть стандартное и максимальное. Во втором случае смартфон ограничен в своей функциональности: доступными остаются лишь некоторые приложения, а яркость экрана становится минимальной.

Что отключить для экономии батареи

Многие пользователи недолюбливают режим энергосбережение и даже считают, что он сажает аккумулятор даже быстрее. Конечно же, это огромное заблуждение. Что отключается в этом режиме?

В режиме экономии заряда смартфон отображает примерно оставшееся время

• Фоновое обновление приложений. Если у вас включено автообновление, то в этом случае оно не будет работать. Придется обновлять приложения вручную.
• Загрузка почты. Почтовые приложения будут присылать уведомления намного реже или не присылать их вовсе. Обычно смартфон проверяет сервер раз в 5-10 минут. Теперь вам придется вручную проверять входящие сообщения.
• Голосовой ассистент. Смартфон отключает активацию голосом. Это происходит из-за деактивации функции фоновой прослушки окружения. Так происходит и в iPhone, и в Android.
• Снижается производительность процессора. Тактовая частота процессора падает и смартфон начинает работать медленнее за счет снижения энергопотребления.

Считается, что наиболее эффективно экономия заряда в смартфоне работает при включении на 100% заряда батареи. Чем раньше вы его включите, тем лучше. Последняя возможность сэкономить заряд, когда в аккумуляторе остается около 20% — именно этим пренебрегают владельцы смартфонов. Включая экономию заряда на 10% шансов увеличить время работы смартфоны почти не остается — в сухом остатке вы сможете продлить жизнь устройства на 20-25 минут. А вот при активации на 20% аккумулятор может выдать целый час дополнительного времени.

Не забудьте про наш Яндекс. Дзен: такого о смартфонах вы точно не знали!

Как сэкономить заряд на телефоне

Можно вручную отключить функции, чтобы сэкономить заряд

Если не доверяете режиму энергосбережения в смартфоне, то можете отключить некоторые функции вручную: они могут не использоваться, но продолжать расходовать заряд. Что можно отключить?

• Живые обои. Анимации заставок тратят много энергии.
• Автоповорот экрана. Датчик постоянно работает, из-за чего увеличивается расход батареи.
• Светлая тема оформления. Если у вас IPS-экран, то толку в этом нет, а вот с OLED-экранами это работает. У нас есть отдельный материал, в котором мы об этом рассказали.
• Активные беспроводные соединения. Если ваш смартфон подключен по Bluetooth к фитнес-браслету или используется Wi-FI, GPS или мобильный интернет, то можете смело отключать эти модули — смартфон проживет чуть дольше.
• Фоновые приложения. Обратите внимание на запущенные в фоне приложения: процессы остаются открытыми долгое время, расходуя заряд батареи.

Мнение: Почему я никогда не куплю Honor

Зачем нужна автояркость

Включайте автояркость и смартфон проработает дольше

Если вам нужен оптимальный способ сохранить заряд батареи, то пользуйтесь автояркостью. Эта функция является одной из важнейших в энергоэффективности смартфона. Датчик будет распознавать уровень освещения окружающей среды и подстраивать яркость экрана.

К сожалению, функция не всегда работает правильно, из-за чего отпугивает пользователей. Тем не менее, именно этот способ надежнее ручной подстройки яркости экрана: вы можете забыть отрегулировать яркость дисплея, из-за чего смартфон разрядится быстрее. Подробнее о том, зачем нужна автояркость и как ее настроить — в нашем материале.

Samsung начала по-другому обновлять свои Android-смартфоны. Что изменилось

Можно ли заряжать телефон в режиме энергосбережения

Пользуйтесь режимом экономии заряда постоянно и не переживайте за сохранность батареи

Многие переживают, что смартфон, постоянно находящийся в режиме экономии заряда, может начать работать хуже. Особенно, когда в этом режиме он находится на зарядке. Можно ли так делать? Конечно, да. Вы можете использовать его постоянно, ведь энергосбережение влияет лишь на фоновые функции и работу датчиков. Он не затрагивает батарею, поэтому негативных последствий не будет. Единственный минус — неполноценная работа смартфона. Все-таки, согласитесь: лучше, когда смартфон работает на все 100 без каких-либо ограничений, и функции включаются автоматически, а не вручную.

А вы пользуетесь режимом экономии заряда? Расскажите в нашем Telegram-чате, насколько дольше работает ваш смартфон?

Современные ЦОДы способны обеспечить PUE на уровне 1,5 или ниже — это стало возможным за счет целого ряда улучшений.

Центры обработки данных — это фундамент цифровой экономики, однако для их работы требуется огромное количество энергии. Стараясь сделать цифровую трансформацию более экологичной, необходимо в первую очередь правильно проектировать ЦОДы и использовать энергоэффективные компоненты ИТ-инфраструктуры. Ключевую роль в решении этой задачи играют SSD.

В последние годы заметно вырос спрос на центры обработки данных, что можно объяснить цифровой трансформацией и растущей популярностью облачных сервисов. Соответственно, количество ЦОДов растет, а существующие объекты продолжают расширяться. Едва ли эта тенденция пойдет на спад, ведь «Интернет вещей» тоже стремительно развивается, в результате чего в ближайшие годы мы можем ожидать взрывного роста объема данных, для обработки которых потребуется еще более продвинутая цифровая инфраструктура.

Впрочем, судя по рекордно низким показателям PUE (power usage effectiveness), ЦОДы стали заметно эффективнее: этот коэффициент обозначает общий объем энергопотребления по отношению к энергетической потребности ИТ-инфраструктуры. Другими словами, насколько эффективна базовая инфраструктура, в том числе системы охлаждения и насосы, ИБП и аккумуляторы. Современные ЦОДы способны обеспечить PUE на уровне 1,5 или ниже — это стало возможным за счет целого ряда улучшений, в том числе оптимизации систем охлаждения, широкого применения вторичного тепла, продвинутых ИТ-компонентов, которые больше не требуют экстремального охлаждения помещений, а также правильно настроенных трансформаторов тока. В современных ЦОДах более двух третей энергии потребляют ИТ-системы.

Таким образом, хотя 10 млрд киловатт-часов из упомянутых 16 составляют львиную долю потребления в центрах обработки данных в 2020 году, теперь оборудование куда совершеннее: по данным Borderstep Institute, с 2010 года энергопотребление в ЦОДах выросло на 75%, а производительность – в восемь раз. Чтобы добиться этого, производители ИТ-оборудования активно вкладывались в техническую модернизацию. А кроме того, ужесточились правовые нормы в этой сфере — например, недавний регламент ЕС 2019/424 устанавливает минимальный уровень эффективности для источников питания в серверах и системах хранения.

Выше производительность с прежним бюджетом мощности

Серверы, системы хранения и сетевые компоненты в ЦОДах работают в комплексе, поэтому зависят друг от друга в плане затрат мощности. Растущие объемы данных приводят к увеличению энергопотребления не только хранилищ, но также серверов и сети, ведь данные необходимо передавать и обрабатывать. Работа над сбережением энергии исключительно в системах хранения возможна, только когда речь идет об архивных данных, однако усложняется их регулярной валидацией, при которой задействуются остальные ИТ-компоненты. Поэтому операторы ЦОДов выделяют бюджет мощности на стойку, который распределяется между отдельными потребителями.

Однако, если речь идет о развертываниях с действительно высокими потребностями в памяти, очень важно вдумчиво подойти к планированию эффективности хранилищ, ведь каждый ватт, не использованный в эксплуатации, будет доступен для других систем в стойке. За счет энергоэффективного хранилища стойка обеспечит более высокий уровень производительности с прежним бюджетом мощности.

Теоретически SSD требуют меньше энергии, чем жесткие диски, ведь они не имеют механических компонентов. Однако, поскольку на SSD возлагаются определенные операции, например управление ячейками памяти и обновление состояний памяти для обеспечения готовности к использованию, во время простоя они потребляют столько же энергии, сколько и жесткие диски, а вот в режиме эксплуатации – наоборот, гораздо больше. Например, если текущий PCIe-накопитель четвертого поколения от KIOXIA в активном состоянии потребляет до 21 Вт, то жесткий диск корпоративного уровня с 7200 оборотами в минуту требует вдвое меньше.

Впрочем, здесь не учитывается производительность этих носителей. Расхода 8–12 Вт жесткого диска хватает лишь на несколько сотен IOPS, в то время как SSD достигает показателя 1,4 млн IOPS. Это означает, что в активном состоянии последний гораздо энергоэффективнее.

Более того, SSD предоставляют данные гораздо быстрее, поэтому для обработки определенной рабочей нагрузки им нужно заметно меньше времени при максимальном расходе энергии. Например, KIOXIA CM6 передает данные на скорости 6900 Мбайт/c, то есть на файл объемом 500 Гбайт уходит 72 секунды: при максимальном расходе мощности в 21 Вт это соответствует 0,4 Вт∙ч, тогда как фактическое энергопотребление для последовательных операций чтения несколько ниже. С другой стороны, жесткому диску на передачу 500 Гбайт потребуется около 28 минут: при расходе 9 Вт это 4 ватт-часа. Таким образом, SSD в десять раз более энергоэффективен.

Однако по-настоящему серьезным преимуществом является прямой доступ. Если стандартный жесткий диск корпоративного уровня обеспечивает около 250 IOPS, то SSD от KIOXIA достигает 1,4 млн IOPS — в 2400 раз выше.

Качественное охлаждение в новых формфакторах

Благодаря своей высокой производительности SSD заметно эффективнее и в плане охлаждения. Подтверждено, что SSD новейшего поколения с поддержкой PCIe имеет более высокие требования к охлаждению во время эксплуатации при полной нагрузке, чем жесткий диск за тот же период времени. Однако для передачи файла или определенного количества IOPS жесткому диску понадобится гораздо больше времени, что означает более продолжительный период охлаждения и более высокие требования к системе охлаждения.

Какая батарея лучше для автономной энергосистемы — литиевая или свинцовая?

Выдержки из новой книги: Off Grid Solar: A handbook for Photovoltaics with Lead-Acid or Lithium-Ion batteries. Перевод: «Ваш Солнечный Дом». При полном и частичном копировании перепечатке ссылка обязательна.

Мы видели множество автономных систем, в которых свинцово-кислотные аккумуляторы вышли из строя. Если их обслуживать, они работают несколько лет, но потом они теряют свою емкость. Я работаю с литий-ионными батареями последние несколько лет, и, несмотря на то, что системы с ними значительно более сложные и дорогие, они имеют неоспоримые и удивительные преимущества. На основе моего опыта я уверен, что через несколько лет в автономных энергосистемах будет использоваться все меньше свинцово-кислотных аккумуляторов.

Я думаю, что сейчас мы находимся на переломном моменте, когда определяется, какие аккумуляторы будут использоваться в автономных энергосистемах. Мы на этапе перехода от испытанных свинцово-кислотных к литиевым аккумуляторам, показывающим более высокую плотность заряда, улучшенную надёжность и длительный срок службы.

В последнее время некоторые компании стали производить экономически эффективные литий-ионные батареи, которые продаются по цене около $400/кВт*ч. Tesla, LG Chemical, Sonnen, Simpliphi Power, и Lithionics все имеют надежные аккумуляторы за вменяемую цену. Недавно немецкий производитель автомобилей Mercedes-Benz аннонсировал вход на рынок стационарных систем хранения электроэнергии с их  Mercedes-Benz Energy.

А как же свинцово-кислотные батареи? Они используются так долго, что стали товарной ценностью. Их качество отличается очень сильно в зависимости от того, кто их произвел, но сама технология практически одинаковая у всех производителей. Такие производители, как Trojan, Rolls/Surrette, и MK/Deka присутствуют на рынке десятилетиями. Зачем же менять двухсотлетнюю технологию? И что позволяет литиевым аккумуляторами сменить свинцово-кислотные?

Преимущество № 1 — Вес и размеры намного меньше

Сравнение плотности энергии различных типов аккумуляторов. По оси абсцисс — гравиметрическя плотность энергии в Вт*ч/кг. По оси ординат — обхемная плотность энергии в Вт*ч/л

Несмотря на то, что высокая плотность энергии не очень важна для стационарных установок, она является критичной для электромобилей и носимых устройств. Увеличенная плотность энергии облегчает развертывание и установку и для стационарных систем хранения энергии.

График выше иллюстрирует, что литиевые батареи примерно в 3 раза легче и в 2 раза меньше по объёму по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами (flooded, AGM, and gel). Литиевые батареи сильно выделяются по сравнению с традиционными аккумуляторами, т. они имеют намного бОльшую плотность энергии.

Преимущество № 2 — Superior Resilience

Все батареи страдают от переразряда и экстремальных температур. Свинцово-кислотные батареи в общем случае более чувствительны к этим перегрузкам и повреждаются, если разряжаются слишком быстро или слишком глубоко. Они теряют срок службы если разряжаются более 50% или если ток разряда превышает 1/8 емкости.

Литиевые батареи можно без проблем разряжать на 80% током до 1/2 емкости почти без потери емкости. Таблица выше показывает типичные характеристики 3 типов батарей: свинцово-кислотных  жидким электролитом и герметизированных (AGM и гелевые) и литий-ионных.

Кроме преимущества по глубине разряда, литиевые батареи меньше теряют емкость при аналогичном циклировании.

Преимущество № 3— большой срок службы

Начальная стоимость различных типов аккумуляторов, USD/кВт*ч

Начальная стоимость литиевых батарей намного больше, чем для других (традиционных) аккумуляторов — см. график выше. Так как литий-ионные аккумуляторы — это новая технология, они имеют большой потенциал по снижению стоимости. В ближайшее время ожидается снижение стоимости до 300-400 USD/кВт*ч. Но так ли справедливо сравнивать аккумуляторы только по их начальной стоимости и емкости? Конечно, нет!

Начальная стоимость аккумуляторной батареи важна при определении капитальных вложений в систему энергоснабжения. Но гораздо более важно оценить стоимость хранения энергии в течение срока службы.

Стоимость хранения энергии в различных типах аккумуляторов, USD/кВт*ч

График выше лучше для сравнения, т. учитывает глубину разряда и типичное число циклов заряд-разряд в течение срока службы. Видно, что дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы имеют самую низкую цену цикла, но только при условии, что они правильно эксплуатируются и обслуживаются. Напомним, что свинцово-кислотные аккумуляторы должны СРАЗУ и ПОЛНОСТЬЮ заряжаться после разряда, чтобы получить заявленные производителями цифры по сроку службы. К сожалению, в автономных системах электроснабжения, особенно с солнечными батареями и ветроустановками,  это далеко не всегда возможно. Если не поддерживать идеальные для свинцово-кислотных аккумуляторов условия по эксплуатации, стоимость цикла хранения энергии возрастает.

Литиевые аккумуляторы требуют меньше обслуживания и более стойки к нерегулярному заряду. Если рассматривать все вышеизложенные факторы, то литиевые аккумуляторы будут лучшими для автономной энергосистемы. Кроме того, литиевые аккумуляторы имеют примерно в 6 раз больше циклов заряда-разряда, что снижает стоимость работ и стоимость доставки при их намного более редкой замене.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

В настоящее время наиболее безопасным выбором аккумулятора для системы электроснабжения будут испытанные и предсказуемые свинцово-кислотные аккумуляторы. Контроллеры заряда для солнечных батарей и инверторы, которые продаются сейчас, спроектированы для работы со свинцово-кислотными аккумуляторами. Они испытаны в реальных установках. Также, немаловажным является их более низкая цена по сравнению с литиевыми аккумуляторами. Если правильно следить и обслуживать свинцово-кислотные аккумуляторы, они будут работать с КПД 80-90%.

2 основные разновидности свинцово-кислотных аккумуляторов — с жидким электролитом и герметизированные. Первые — самые дешевые, но также и более подвержены выходу из строя из-за неправильных эксплуатации и обслуживания. Если вы хотите минимизировать обслуживание ваших аккумуляторов, то VRLA (герметизированные) аккумуляторы будут наилучшим выбором.

Литий-ионный аккумулятор

Десятилетиями свинцово-кислотные аккумуляторы были доминирующими в автономных системах электроснабжения. С появлением на массовом рынке электромобилей, литий-ионная технология была значительно улучшена, их стоимость постоянно снижается и такие аккумуляторы стали обоснованным выбором и для автономных солнечных энергосистем, а также систем с солнечными батареями и самопотреблением.

Литиевые аккумуляторы только начинают (статья написана в 2016 г) широко применяться в крупных солнечных энергостанциях, но они давно уже применяются в портативной и переносной технике многие годы. Благодаря их высокой плотности энергии они являются лучшим выбором для носимых и передвижных электростанций и устройств.

Примечание «Ваш Солнечный Дом»

В статье упоминаются литий-ионные аккумуляторы в общем смысле. В последние годы для автономных энергосистем наилучшим выбором среди литиевых аккумуляторов являются литий-железо-фосфатные (аббревиатура LFP или LIP). Они намного надежнее, долговечнее и безопаснее, чем обычные литий-ионные аккумуляторы, применяемые в мобильных телефонах и других электронных гаджетах. статьи про литий-железо-фосфатные аккумуляторы.

Исследователи Политеха создали собственную технологию изготовления миниатюрных электродов для тонкопленочных твердотельных литий-ионных аккумуляторов

Тенденция к миниатюризации автономных электронных устройств вызывает потребность в миниатюрных источниках энергии. Одним из перспективных вариантов решения этой задачи является разработка тонкопленочных твердотельных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА). Обычные литий-ионные аккумуляторы с жидкостным электролитом широко используются в различных сферах: от игрушек, гаджетов и бытовой электроники до тяговых аккумуляторов для транспорта. Но их невозможно уменьшить до нанометрового или субмикронного уровня. Актуальной задачей также является снижение стоимости производства батарей. Сделать это можно, заменив дорогостоящий и дефицитный катодный материал на основе кобальта на более дешевый. Еще одна задача для исследователей – ускорить процесс зарядки аккумуляторов.

Тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы имеют высокую производительность, более высокое среднее выходное напряжение, легкий вес, соответственно, высокую плотность энергии и длительность работы (1 200 циклов без ухудшения качества), а также пожаробезопасность. При этом они могут работать в широком диапазоне температур (от – 20 до + 60°C). Плотность энергии – одна из существенных характеристик ТТЛИА, обеспечивающая длительность автономной работы.

ТТЛИА имеют хорошие перспективы использования в устройствах интернета вещей (IoT), микрочипах, RFID-метках, применяющихся для идентификации изделий, беспроводных датчиках со встроенными источниками питания, автономных детекторах звука, света, контроля химического состава газов, а также в имплантируемых биосенсорах и медицинских устройствах.

Литий-ионные батареи служат для преобразования химической энергии в электрическую, состоят из анода, катода, электролита, сепаратора и корпуса. Положительный электрод (катод) и отрицательный (анод) обладают высокой электропроводностью и обмениваются ионами лития через жидкий электролит, который проходит через пористый сепаратор, предотвращающий неконтролируемую реакцию при прямом контакте между анодом и катодом, во избежание короткого замыкания. Основными особенностями электролита являются высокая ионная проводимость и высокое электрическое сопротивление. Электрический ток переносится проводящими коллекторами на анодах и катодах к отрицательному и положительному полюсам ячейки и обратно.

Электрохимическая система ТТЛИА состоит из пленок анода, твердого электролита (также выполняет функцию сепаратора) и катода, последовательно осажденных слоями на подложке друга на друга.

Ученые разрабатывают тонкопленочные твердотельные аккумуляторы рулонного типа, что позволит снизить затраты на их производство. Твердотельные батареи отличаются повышенной плотностью энергии за счет снижения их веса, а гибкость материала электролита позволяет батарее принимать любую форму и легко вписываться в габариты микроэлектронных устройств.

В тонкопленочной гибкой литий-ионной батарее используется электролит на полимерной основе, который выступает также в качестве сепаратора и связующего материала. Недорогие полимерные разделительные материалы в литий-ионных батареях обладают способностью транспортировать ионы через их пористые мембраны при сохранении физического разделения между анодными и катодными материалами для предотвращения короткого замыкания. Гибкий сепаратор устойчив к разрушению во время работы батареи.

Для ТТЛИА необходима разработка специальных анодных и катодных материалов, которые будут противостоять снижению емкости батареи из-за циклирования и повышению ее безопасности при перезарядке. Разработка наноматериалов вдохнула новую жизнь в литий-ионные батареи.

Исследователи Санкт-Петербургского Политеха провели исследование влияния параметров синтеза на скорость выращивания, химический состав материала, электрохимические свойства и создали собственную технологию изготовления миниатюрных электродов для тонкопленочных твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

Целью проекта является разработка технологических основ создания перспективных наноматериалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов повышенной эффективности и создание новых видов нанокомпозиционных электродных материалов мирового уровня. Реализация проекта позволит снизить себестоимость производства электродных материалов, повысить технические характеристики литий-ионного полимерного аккумулятора, особенно его энергоэффективность, и обеспечить вывод на рынок новой продукции.

Доцент Высшей школы физики и технологий материалов СПбПУ Максим Максимов пояснил: «Разработана методика получения электрохимически активного материала на базе никелата лития (катод) и оксида никеля (анод) с использованием метода молекулярного наслаивания. В результате были получены базовые и допированные составы анодов и катодов толщиной от единиц до десятков нанометров, которые в будущем могут быть использованы для создания нанометрового аккумулятора, интегрированного в процессор устройства при создании микросхем для носимой, портативной или вживляемой электроники».

Для получения катодных материалов на базе никелата лития был выработан общий поход: нанесение кристаллического слоя переходных металлов с изначально заданным их соотношением, последующим нанесением слоя Li-Ni-O (следы никеля) и применение термообработки (отжиг при 800 °С) для создания кристаллической структуры катодного материала. Для улучшения электрохимических характеристик разрабатываемых катодов были апробированы новые подходы: двухстадийная термообработка и уменьшение времени выдержки до 1 минуты. В качестве образцов выступали мультислойные пленки со слоистой структурой: нижний слой оксида переходных металлов (Ni-Co-O), на который в последующем осаждали литий, содержащий слой типа Li-Ni-O.

В качестве твердого электролита на поверхность катода была нанесена система Li-Ta-O. Осаждение пленок проводили последовательным чередованием одного цикла получения оксида лития и двух циклов оксида тантала. На основании данных РФЭС можно сделать вывод, что в образцах, полученных при последовательном нанесении Li-Ta-O на сформированный после термообработки катод, состав изменяется следующим образом: на поверхности образца находится тонкий слой, содержащий карбонат лития/оксид лития/гидроксид лития/оксиды тантала. При исследовании в объеме пленки концентрация тантала возрастает.

Ученые разработали метод выращивания на подложках массивов углеродных нанотрубок с использованием слоев оксида никеля контролируемой толщины. Полученные композитные структуры могут использоваться в литий-ионных аккумуляторах.

Результаты проведенных научно-исследовательских работ могут быть использованы для проведения опытно-конструкторских работ, направленных на разработку технологии получения электродных материалов для высокопроизводительных тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов на основе нанокомпозиционных материалов и могут быть внедрены в производство.

Сейчас ученые Петербургского Политеха разрабатывают твердый электролит для будущего миниатюрного литий-ионного аккумулятора.

Индустриальными партнерами Политеха выступили компании ЗАО «АКОМ», TSE Technology (КНР), ENV Energy New Vehicle (КНР).

Анатолий Попович, директор Института машиностроения, материалов и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, пояснил:

«В нашем институте ведется разработка научно-технологических основ создания новых видов нанокомпозиционных электродных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов повышенной эффективности с применением функциональных покрытий. Полученный нами материал обладает повышенными эксплуатационными и функциональными характеристиками.

У меня очень хорошие отношения с моим учеником Ван Цин Шеном, который защитил кандидатскую диссертацию по теме литий-ионных аккумуляторов в Политехническом университете. Сейчас он возглавляет инновационные китайские компании TSE Technology и ENV Energy New Vehicle. Шесть лет назад мы вместе с ним создали совместную российско-китайскую лабораторию, которая финансируется компаниями Ван Цин Шена. В Китае на этой площадке создан совместный институт, где мы разрабатываем материалы для литий-ионных аккумуляторов. Ученые Политеха прошли в Китае стажировку и продолжают вести исследования в Петербурге.

Мы решаем три основные задачи. Во-первых, удешевление изготовления электродных материалов. Для этого разрабатываем новые нанокомпозиционные структуры. Во-вторых, увеличение ресурса батарей. Ведь чем больше ресурс батареи автомобиля, тем больше у него максимальный пробег без подзарядки. В-третьих – повышение безопасности.

Очень важным является создание безопасных литий-ионных аккумуляторов. В основу данной технологии, разработанной нами совместно с КНР, положены разработки Ван Цин Шена, признанного мировым авторитетом в этой теме. Сегодня уже решена проблема безопасности: если разрезать разработанную пластину литий-ионного аккумулятора ножом, то ток есть, а короткого замыкания нет. Даже при краш-тесте автомобиля аккумулятор не вызывает замыкания и взрыва.

Сегодня компетенция Политеха связана с разработкой наноструктурированных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. У нас очень много патентов в этой области».

Реализация проекта позволит снизить себестоимость производства электродных материалов, повысить технические характеристики литий-ионного полимерного аккумулятора, особенно его энергоэффективность и способность к быстрой зарядке, а также способствовать выводу на рынок инновационной продукции.