Elektronika rozwija się szybciej niż jej źródła energii
Jeszcze kilkanaście lat temu kolejne generacje elektroniki potrafiły przynosić zmiany, które zauważaliśmy niemal natychmiast. Procesory stawały się wyraźnie szybsze, ekrany zyskiwały coraz wyższą rozdzielczość, aparaty fotograficzne wykonywały coraz lepsze zdjęcia, a urządzenia mobilne przejmowały funkcje zarezerwowane wcześniej dla komputerów. Ten postęp trwa nadal. Dzisiejszy smartfon dysponuje możliwościami, które jeszcze stosunkowo niedawno kojarzyły się z wydajnym komputerem, a coraz częściej potrafi również wykonywać operacje związane ze sztuczną inteligencją. Jeden element tej technologicznej układanki rozwija się jednak znacznie wolniej – źródła energii.
Najłatwiej dostrzec to właśnie na przykładzie smartfonów. W ciągu kilkunastu lat otrzymaliśmy wielordzeniowe procesory, znakomite wyświetlacze OLED, łączność 5G, rozbudowane systemy fotograficzne, zaawansowaną grafikę 3D oraz funkcje AI. Mimo tego nadal przyzwyczajeni jesteśmy do ładowania telefonu każdego dnia. Możliwości urządzenia zmieniły się nie do poznania, natomiast czas jego działania na jednym ładowaniu w zasadzie nie.
Dobrze widać to też na przykładzie dronów. Możemy wyposażyć je w coraz lepsze kamery, czujniki i systemy autonomicznego sterowania, ale energia potrzebna do utrzymania maszyny w powietrzu musi zostać zabrana razem z nią. Większy akumulator zwiększa zasięg, ale jednocześnie oznacza większą masę, którą również trzeba unieść i koło się zamyka.
Dlatego rozwój akumulatorów może okazać się jednym z najważniejszych, choć znacznie mniej widowiskowych obszarów współczesnej technologii. Nowe materiały anodowe, konstrukcje krzemowo-węglowe, akumulatory ze stałym elektrolitem czy bardziej eksperymentalne technologie będą miały wspólny cel – zmieścić więcej użytecznej energii w tej samej albo mniejszej przestrzeni, nie poświęcając przy tym bezpieczeństwa, trwałości i szybkości ładowania. Doszliśmy do momentu, w którym o kolejnym wielkim skoku elektroniki zdecyduje nie liczba tranzystorów w najnowszym procesorze, ale ilość energii, jaką potrafimy bezpiecznie zamknąć w w niewielkiej baterii.
Co nam dały akumulatory litowo-jonowe?
Akumulator litowo-jonowy jest jednym z tych wynalazków, które zmieniły świat niemal niezauważalnie. Pierwsze komercyjne ogniwa tego typu pojawiły się na początku lat 90. i szybko zaczęły wypierać starsze rozwiązania. Ich najważniejszą zaletą była wysoka gęstość energii – możliwość zgromadzenia stosunkowo dużej ilości energii w niewielkiej i lekkiej baterii.
Bez tej technologii trudno byłoby sobie wyobrazić współczesną elektronikę mobilną. To właśnie rozwój ogniw litowo-jonowych umożliwił powstanie coraz cieńszych laptopów, smartfonów, smartwatchy, bezprzewodowych słuchawek, elektronarzędzi czy dronów. Z czasem technologia została również zaadaptowana na znacznie większą skalę, przede wszystkim w samochodach elektrycznych i magazynach energii.
Rewolucję cyfrową zwykle kojarzymy z coraz szybszymi komputerami i postępującą miniaturyzacją elektroniki. Tymczasem rewolucja mobilna była w podobnym stopniu rewolucją w magazynowaniu energii. Nawet najlepszy procesor nie uczyniłby komputera naprawdę mobilnym, gdyby potrzebował ciężkiego i dużego źródła zasilania.
Dlaczego współczesne baterie zaczynają nas ograniczać?
Podstawowym parametrem pozwalającym zrozumieć problem jest gęstość energii. Określa ona, ile energii możemy zgromadzić w określonej masie lub objętości akumulatora. Im jest większa, tym dłużej urządzenie może działać bez konieczności zwiększania rozmiarów i ciężaru baterii.
Problem polega na tym, że postęp w tej dziedzinie jest stosunkowo powolny. Nie możemy oczekiwać, że pojemność akumulatorów będzie rosła w takim tempie, w jakim przez dekady zwiększała się wydajność układów scalonych. Bateria jest układem elektrochemicznym, a jej możliwości ograniczają właściwości wykorzystanych materiałów.
Producenci muszą więc nieustannie szukać innych rozwiązań. Można umieścić w smartfonie większy akumulator, ale urządzenie stanie się grubsze i cięższe. Można zwiększać szybkość ładowania, lecz trzeba skutecznie kontrolować temperaturę i ograniczać degradację ogniwa. Można też próbować zwiększać jego gęstość energetyczną, jednak trzeba zachować odpowiedni poziom bezpieczeństwa.
Dlatego bateria pozostaje jednym z najbardziej kłopotliwych elementów współczesnej elektroniki. Chcemy urządzeń jednocześnie cieńszych, lżejszych, wydajniejszych i działających dłużej, choć wymagania te często wzajemnie się wykluczają.
Wyjście tymczasowe – oszczędzanie energii
Skoro nie potrafimy jeszcze łatwo zwielokrotnić zapasów energii zgromadzonych w urządzeniu, pozostaje drugie rozwiązanie – wykorzystywać ją znacznie efektywniej. Właśnie dlatego jednym z najważniejszych parametrów współczesnych procesorów stała się wydajność osiągana przy określonym poborze mocy.
Nowoczesne układy wykorzystują między innymi rdzenie przeznaczone do mniej wymagających zadań, które zużywają znacznie mniej energii niż ich najwydajniejsze odpowiedniki. Podobną rolę pełnią wyspecjalizowane jednostki, takie jak NPU odpowiedzialne za część obliczeń związanych ze sztuczną inteligencją. Zamiast angażować do każdego zadania najbardziej energochłonne elementy procesora, urządzenie może wykorzystać układ najlepiej dostosowany do konkretnej operacji.
Oszczędności szuka się także gdzie indziej. Wyświetlacze LTPO mogą dynamicznie obniżać częstotliwość odświeżania, system operacyjny ogranicza aktywność aplikacji w tle, a nieużywane fragmenty procesora mogą być czasowo wyłączane. Współczesna elektronika nie tylko staje się wydajniejsza – przede wszystkim coraz lepiej gospodaruje każdą dostępną porcją energii. A tu pokazujemy 7 najbardziej prądożernych aplikacji w telefonie
AI komplikuje sytuację
Sztuczna inteligencja może jednak ponownie zwiększyć pobór mocy i zniwelować wcześniejsze oszczędności. Coraz więcej operacji AI wykonywanych jest bezpośrednio na smartfonie lub komputerze, zamiast w centrum danych. Ma to istotne zalety – zmniejsza opóźnienia, pozwala wykonywać część zadań bez dostępu do internetu i może poprawić prywatność, ponieważ nie wszystkie dane muszą opuszczać urządzenie.
Ma jednak swoją cenę. Lokalne modele wymagają odpowiedniej mocy obliczeniowej i pamięci, a to oznacza również zużycie energii. Problem będzie narastał, jeżeli asystenci AI zaczną stale analizować głos, obraz z kamer czy informacje pochodzące z licznych czujników.
Szczególnym wyzwaniem mogą okazać się inteligentne okulary. Powinny być lekkie i niewiele większe od tradycyjnych, a jednocześnie mogą potrzebować kamer, mikrofonów, łączności bezprzewodowej, procesora, systemów AI, a w bardziej zaawansowanych konstrukcjach także wyświetlaczy. Wszystkie te elementy trzeba zasilić z bardzo małego akumulatora.
Paradoksalnie możemy więc wcześniej nauczyć urządzenie rozumieć to, co widzimy i słyszymy, niż sprawić, aby było ono w stanie robić to przez cały dzień bez ładowania. W epoce lokalnej AI problem baterii może zatem stać się jeszcze bardziej widoczny niż dotychczas.
Znamy wiele różnych typów baterii, jednak nie każdy z nich nadaje się do domowej i osobistej elektroniki. Fot. HotGear.
Akumulatory krzemowo-węglowe
Jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju są akumulatory krzemowo-węglowe, które zaczęły już trafiać do elektroniki konsumenckiej, przede wszystkim smartfonów. Nie jest to całkowite zerwanie z technologią litowo-jonową, lecz jej istotne udoskonalenie. Zmiana dotyczy przede wszystkim anody, w której obok węgla wykorzystuje się krzem.
Krzem ma ogromną zaletę – może teoretycznie magazynować znacznie więcej jonów litu niż stosowany tradycyjnie grafit. Problem w tym, że podczas ładowania znacznie zwiększa swoją objętość, a następnie ponownie się kurczy. Powtarzający się cykl prowadzi do uszkadzania struktury materiału i szybkiej degradacji ogniwa. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie odpowiednich kompozytów krzemowo-węglowych, które pozwalają ograniczyć ten efekt.
Dzięki temu w baterii o podobnych wymiarach można zgromadzić więcej energii. Właśnie dlatego na rynku pojawiają się smartfony z akumulatorami o pojemności 6000, 7000, a nawet ponad 8000 mAh, które nie przypominają rozmiarami dawnych telefonów ze specjalnymi, powiększonymi bateriami. To ważne, ponieważ w przeciwieństwie do wielu laboratoryjnych „baterii przyszłości” technologia krzemowo-węglowa jest zmianą, której efekty możemy już obserwować od razu.
Akumulatory ze stałym elektrolitem
Jeszcze większe nadzieje wiąże się z akumulatorami ze stałym elektrolitem, określanymi często jako solid-state. W tradycyjnych ogniwach litowo-jonowych pomiędzy elektrodami znajduje się łatwopalny ciekły elektrolit. W konstrukcji solid-state zastępuje go materiał stały.
Potencjalne korzyści są bardzo duże. Technologia może umożliwić osiągnięcie wyższej gęstości energii, poprawić bezpieczeństwo, a w przyszłości również skrócić czas ładowania. Z tego powodu zainteresowanie nią wykazują zarówno producenci baterii, jak i koncerny motoryzacyjne oraz firmy technologiczne.
Problemem pozostaje tu przejście od obiecujących prototypów do taniej, powtarzalnej i masowej produkcji. Akumulator musi przecież wytrzymać tysiące cykli pracy, duże różnice temperatur i wieloletnią eksploatację, a jednocześnie być wystarczająco tani, co jednak na razie się nie udaje. Dlatego solid-state od lat zapowiada się jako potencjalny przełom, ale jego rzeczywiste upowszechnienie nadal stoi pod znakiem zapytania.
A może przyszłość należy do zupełnie innych baterii?
Krzem i stały elektrolit nie wyczerpują możliwości. Laboratoria i producenci rozwijają również akumulatory litowo-siarkowe, sodowo-jonowe oraz wiele bardziej eksperymentalnych technologii. Każda próbuje rozwiązać nieco inny problem współczesnych ogniw.
Baterie litowo-siarkowe kuszą przede wszystkim możliwością osiągnięcia wysokiej gęstości energii przy niewielkiej masie. Ogniwa sodowo-jonowe oferują z kolei dostęp do znacznie powszechniejszego i tańszego surowca niż lit, choć ich gęstość energetyczna jest niższa. Mogą więc okazać się szczególnie atrakcyjne tam, gdzie masa nie jest najważniejsza, na przykład w stacjonarnych magazynach energii.
Pokazuje to, że prawdopodobnie nie powstanie jedna uniwersalna „bateria przyszłości”. Smartfon potrzebuje przede wszystkim dużej pojemności przy małej objętości, dron – jak najmniejszej masy, samochód elektryczny musi łączyć zasięg z bezpieczeństwem i ceną, natomiast magazyn energii może być ciężki, jeśli dzięki temu będzie tańszy i bardziej trwały.
Samochody elektryczne mogą przyspieszyć rewolucję również w smartfonach
Rozwój elektromobilności sprawił, że technologie akumulatorowe stały się jednym z najważniejszych obszarów inwestycji przemysłu. W samochodzie bateria odpowiada za znaczną część masy i kosztu całego pojazdu, a jej parametry bezpośrednio wpływają na zasięg, czas ładowania i trwałość. Każda poprawa gęstości energii czy obniżenie kosztu produkcji może więc przynieść producentom ogromne korzyści.
Skala rynku samochodowego oznacza zarazem ogromne nakłady na badania nad nowymi materiałami, konstrukcjami ogniw i metodami ich produkcji. Rozwiązania opracowywane z myślą o elektromobilności nie muszą trafiać bezpośrednio do naszych telefonów, ponieważ wymagania obu kategorii urządzeń są inne. Zdobyta wiedza, nowe materiały i doskonalsze procesy technologiczne mogą jednak przyspieszać rozwój całego sektora magazynowania energii.
Paradoksalnie więc na tym, że producenci samochodów walczą o kolejne kilometry zasięgu i krótsze ładowanie, możemy w przyszłości skorzystać także wtedy, gdy będziemy wybierali smartfon, laptop czy inne urządzenie z własną baterią.
Branża motoryzacyjna bardzo intensywnie pracuje nad nowymi typami baterii i akumulatorów. To ona może przynieść przełom. Fot. HotGear.
Co by się stało, gdyby pojemność baterii nagle się podwoiła?
Wyobraźmy sobie, że pojawia się technologia pozwalająca dwukrotnie zwiększyć gęstość energii akumulatorów bez pogorszenia ich bezpieczeństwa, trwałości i ceny. Zmiana byłaby znacznie poważniejsza niż tylko rzadsze ładowanie telefonu.
Smartfon mógłby działać przez kilka dni albo zachować dotychczasowy czas pracy przy znacznie mniejszej baterii. Laptop mógłby pracować kilkadziesiąt godzin, smartwatch – miesiącami. Samochód elektryczny otrzymałby większy zasięg albo stałby się lżejszy dzięki zmniejszeniu pakietu akumulatorów. Drony mogłyby pozostawać w powietrzu znacznie dłużej…
Najciekawsze konsekwencje dotyczyłyby jednak technologii, które dopiero próbują wejść do powszechnego użytku. Lekkie okulary AR działające cały dzień czy robot mogący przez wiele godzin wykonywać pracę bez ładowania stałyby się znacznie łatwiejsze do skonstruowania.
Przełom w bateriach nie musiałby więc jedynie ulepszyć urządzeń, które już mamy. Mógłby sprawić, że praktyczne stałyby się całe kategorie produktów, które dzisiaj ogranicza przede wszystkim dostęp do energii. A jak wydłużyć działania naszego laptopa na jednym ładowaniu już dziś? Wyjaśniamy.
Jest jedno „ale”. Fizyki nie da się obejść
W przypadku elektroniki przyzwyczailiśmy się do szybkiego postępu. Nowa architektura procesora, mniejszy proces technologiczny czy lepsze oprogramowanie mogą w stosunkowo krótkim czasie przynieść zauważalny wzrost możliwości urządzeń. W przypadku baterii sytuacja jest trudniejsza, ponieważ mamy do czynienia przede wszystkim z chemią i właściwościami materiałów.
Każde nowe rozwiązanie musi pogodzić wiele parametrów jednocześnie. Wysoka gęstość energii niewiele znaczy, jeśli ogniwo szybko się zużywa. Ekstremalnie szybkie ładowanie nie sprawdzi się, jeśli będzie powodować problemy z temperaturą. Świetne wyniki laboratoryjne również nie wystarczą, jeśli baterii nie można produkować bezpiecznie, powtarzalnie i w milionach egzemplarzy za rozsądną cenę.
Dlatego regularnie słyszymy o kolejnych „rewolucyjnych bateriach”, które mają odmienić elektronikę, lecz później długo nie widzimy ich w sklepach. Droga od udanego eksperymentu laboratoryjnego do niezawodnego akumulatora w smartfonie czy samochodzie jest niestety wyjątkowo długa i jak się okazuje – wyboista.
Nie oznacza to, że przełom nie nadejdzie. Przeciwnie – rozwój nowych materiałów, ogromne inwestycje przemysłu i rosnące zapotrzebowanie na magazynowanie energii sprawiają, że presja na jego osiągnięcie jest większa niż kiedykolwiek. Trzeba jednak pamiętać, że chemii nie można przyspieszyć aktualizacją oprogramowania, a praw fizyki nie da się ominąć pustym marketingiem.
Podsumowanie
Przez lata przyzwyczailiśmy się mierzyć technologiczny postęp przede wszystkim mocą obliczeniową. Śledzimy liczbę rdzeni, generacje procesorów, nowe układy graficzne czy możliwości sztucznej inteligencji. Tymczasem coraz większym ograniczeniem może stawać się nie to, jak wiele potrafimy obliczyć, ale jak długo jesteśmy w stanie dostarczać urządzeniu potrzebną do tego energię.
Nie oznacza to, że akumulatory stanęły w miejscu. Technologie krzemowo-węglowe pozwalają już zwiększać pojemność baterii bez proporcjonalnego zwiększania ich wymiarów, szybkie ładowanie częściowo rozwiązuje problem krótkiego czasu pracy, a nad rozwiązaniami ze stałym elektrolitem i innymi nowymi rodzajami ogniw prowadzone są intensywne prace. Postęp jest jednak trudniejszy i mniej przewidywalny niż w przypadku elektroniki cyfrowej.
Stawka jest przy tym znacznie większa niż dodatkowy dzień działania smartfona. Lepsze baterie mogą zdecydować o przyszłości samochodów elektrycznych, dronów, inteligentnych okularów, urządzeń ubieralnych i robotów. W niektórych przypadkach zwiększenie gęstości energii może wręcz przesądzić o tym, czy dana kategoria urządzeń stanie się rzeczywiście użyteczna na co dzień.
Być może dlatego kolejny wielki przełom w świecie nowych technologii nie zostanie zaprezentowany jako nowy procesor, model AI czy jeszcze szybszy komputer. Może narodzić się w laboratorium chemicznym, a jego najważniejszą cechą będzie po prostu możliwość bezpiecznego zamknięcia znacznie większej ilości energii w tej samej przestrzeni. Jeśli tak się stanie, skutki odczujemy niemal w każdej dziedzinie współczesnej elektroniki.
Tomasz Sławiński
