Основной принцип, лежащий в основе функционирования аккумуляторов, был открыт Луиджи Гальвани в 17 веке.  Что интересно, это открытие было сделано случайно, так как целью экспериментов Гальвани было исследование реакций подопытных животных на различные внешние воздействия. Однако, именно полученные Гальвани результаты стали основой исследований другого крупного ученого – Алессандро Вольта, который дал этому явлению правильное теоретическое объяснение и создал первый в мире гальванический элемент, представлявший собой емкость с соляной кислотой, в которую были погружены цинковая и медная пластины.

Первый аккумулятор (он же – восстанавливаемый гальванический элемент), получивший практическое применение, был создан в 1859 году французским физиком Гастоном Плантэ. В ходе своих исследований он создал аналог гальванического элемента Вольта, в котором в качестве электродов использовались свинцовые пластины, а роль электролита выполняла серная кислота. Собственно, выпуск аккумуляторов этого типа продолжается и в наши дни, а основной сферой их применения  являются автомобили и другие устройства, в которых требуются большие токи, а габаритные размеры аккумулятора не играют решающей роли.

Следующим шагом совершенствования аккумуляторных батарей было изобретение в 1899 году шведом Вальдмаром Юнгнером никель-кадмиевого аккумулятора (Ni-Cd), в котором электроды были соответственно изготовлены из диоксида никеля и кадмия. Но в те годы, из-за дороговизны и сложности технологических процессов изготовления, аккумуляторы этого типа распространения не получили. Известность к Ni-Cd аккумуляторам пришла после 1947 года, когда немецким инженером Георгом Нойманом был создан герметичный никель-кадмиевый аккумулятор. В наши дни основная сфера применения никель-кадмиевых аккумуляторов является различный электроинструмент, где требуются сравнительно большие токи. Однако постепенно объем использования аккумуляторов данного типа снижается из-за их опасности для окружающей среды и проблем с утилизацией.

Что интересно, прототипы никель-металлогидридных аккумуляторов, которые получили широкое распространение в первых мобильных телефонах, были изобретены всего лишь два года спустя после  появления элемента Юнгнера. Основным отличием никель-металлогидридных аккумуляторов от никель-кадмиевых является то, что в них в качестве одного из электродов используется сплав металлов, поглощающих водород. Активная разработка аккумуляторов этого типа началась лишь в 70-е годы, а их массовый выпуск был налажен лишь в 90-е годы XX века.

Для современных мобильных устройств основным источником энергии являются литий-ионные (Li-ion)  и литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Первые эксперименты с одноразовыми батареями на основе лития начались еще в 1912 году, но первый литий-ионный аккумулятор был создан лишь в 1991 году. Массовый выпуск аккумуляторов этого типа был налажен ко второй половине 1990-х годов, когда они нашли широкое применение в различной мобильной электронике. При этом, за счет использования полимерного электролита, Li-Pol аккумуляторы могут быть произвольной формы и обладать малой толщиной, что особенно актуально при их использовании в мобильных устройствах.

Кроме того в плюсах аккумулятором на основе лития – большая емкость при скромных габаритных размерах, низкий уровень саморазряда и отсутствие эффекта памяти. Но литиевые аккумуляторы имеют и ряд недостатков, главными из которых являются подверженность аккумуляторов старению и «боязнь» глубокого разряда и перезаряда. Для защиты от перезаряда и переразряда данные аккумуляторы оснащают электронной схемой, которая при определенных условиях разрывает электрическую цепь между выходным контактом аккумуляторной батареи и самим элементом. Собственно именно из-за этой схемы, литиевый аккумулятор (и соответствующее мобильное устройство), полежавший длительное время, может перестать подавать признаки жизни.

За последние годы, технология производства литиевых аккумуляторов шагнула далеко вперед, что позволило смартфонам, сохраняя сравнительно скромный вес и габариты,  обзавестись аккумуляторами емкостью 2500, 3000 или 3500 мАч. Встречаются в продаже и телефоны с аккумуляторами емкостью 5000 мАч. Впрочем, даже если не обращать внимания на таких рекордсменов, то нельзя не отметить тенденцию роста средней емкости аккумуляторных батарей. Еще несколько лет назад аккумулятор емкостью 1000…1400 мАч для смартфона был вполне типичен, то сейчас АКБ емкостью менее 2000 мАч кажутся излишне скромными.

Однако, основные доработки аккумуляторов современных мобильных устройств связаны с технологическими решениями, а не с глобальными усовершенствованиями, позволяющими кардинально покрыть растущие потребности в энергии. Конечно, в современных системах-на-чипе многое сделано для снижения энергопотребления, но факт остается фактом –  для удовлетворения потребности в энергии нужные более емкие и компактные ее источники. При этом очень желательно, чтобы процессы возобновления их энергии происходили быстро. И наработки в этом направлении есть.

Например, в весной этого года израильский стартап представил технологию, позволяющую зарядить аккумулятор смартфона за несколько секунд (в демо ролике речь идет о 30 секундах), а батареи электромобиля – за несколько минут. Собственно, именно электромобили и являются основной нишей для применения быстрозаряжаемых аккумуляторов. Согласитесь  для электрических транспортных средств максимально возможное сокращение время заряда батарей куда важнее чем, для мобильных устройств.

Впрочем, зарядка телефона даже за несколько минут – это очень удобно.  Технология предложенная StoreDot основана на квантовых точках, но в настоящий момент она не готова к коммерческому использованию в мобильных устройствах. В частности требуется сделать батареи более компактными.  Впрочем, ждать осталось недолго – появление аккумуляторных батарей и зарядных устройств от StoreDot ожидается уже в 2016 году.

Отметилась новым типом аккумуляторов и японская компания Power Japan Plus, предложившая технологию Ryden (dual carbon battery – двойная углеродная батарея). Согласно данным разработчика предложенный ими тип аккумуляторов может заряжаться в 20 раз быстрее, чем стандартные литий-ионные аккумуляторы и при этом не нагревается. Кроме того, аккумуляторы Ryden производятся без использования никеля, кобальта и марганца. Основной материал – углерод. Заявленный ресурс – более 3000 циклов.

Основой аккумулятора, предложенного исследователями из университета Южной Калифорнии, является вода. При этом отдельно подчеркивается, что и другие используемые материалы дешевы и экологичны. Принцип действия этой батареи основан на использовании хинонов, особых молекул участвующих в фотосинтезе. Заявленный ресурс батареи – 5000 циклов заряда/разряда. При этом стоимость производства подобных батарей будет в 10 раз ниже, чем у обычных литиевых аккумуляторов. О коммерциализации технологии речь пока не идет.

Есть и более радикальные решения. В частности команда исследователей из Наньянского Технологического Университета разработала батарею, которую можно зарядить на 70 процентов за 2 минуты. Но, гораздо важнее то, что ее ресурс составляет более 10 тысяч циклов заряд-разряд. Напомню, заявленный ресурс стандартных аккумуляторов на основе лития составляет порядка 500 циклов. Таким образом, срок «жизни» новой батареи в 20 раз больше, чем у современных аккумуляторов. И если технология дойдет до коммерческой реализации (а предпосылки к этому есть), то у нее есть все шансы произвести революцию.

Если говорить о технических моментах, то сингапурские ученые в качестве материала анода литий-ионной батареи, вместо традиционного графита, использовали нанотрубки из диоксида титана, что и позволило увеличить скорость протекания химических реакций в аккумуляторе. В настоящее время технология находится на стадии прототипов (в частности ведутся работы по увеличению плотности энергии), но интерес к ней со стороны промышленности уже есть.  Коммерческие образцы новых аккумуляторов ожидаются уже в 2016 году. Так что, всего через год ситуация с мобильной энергией может существенно измениться. Причем, не только в электромобилях, на которые направлены основные усилия по разработке быстрозаряжаемых аккумуляторов, но в ноутбуках, смартфонах и других  носимых гаджетах.