IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

На данный момент времени, информационные технологии развиваются огромными темпами, и скорость их развития только увеличивается. Причем, сферы, в которых прикладная информатика применяется сейчас, и будет применяться в ближайшем будущем практически не ограничены. Информатизация общества принимает лавинообразные обороты, технологии подбираются все ближе к человеку и его повседневной жизни. И сейчас мы наблюдаем всё большее слияние человека и технологий.

Несмотря на всеобъемлющие масштабы информатизации, попытаемся выделить наиболее интересные и перспективные направления развития. Первым таким направлением хотелось бы выделить элементы питания и их энергоёмкость для аппаратных структур информационных систем. Это крайне важное направление для развития: уменьшение размеров, увеличение мощности элементов питания, либо поиск альтернативного варианта энергообеспечения аппаратных элементов информационных систем- это один из наиболее важных и приоритетных вопросов современных технологий. Наибольшее значение эта проблема приобретает для переносных гаджетов, будь то обыкновенный телефон, или электрокар, или даже электронный протез. На данный момент, технологии по своему развитию опережают аккумуляторы, обеспечивающие питание этим технологиям. Посмотрим на обыкновенный телефон, за последние десять лет, он стал тоньше, мощнее, научился выполнять множество функций, от полноценного выхода в интернет и замера пульса своего владельца, до распознавания речи, которое уже сейчас выглядит довольно неплохо, и похоже, что совсем скоро мы сможем полноценно общаться со своим телефоном. Но вернемся к питанию, аккумулятор в телефоне выглядит так же, как и 10 лет назад. Это самая громоздкая и тяжелая часть в конструкции аппарата, и все равно его приходится заряжать каждый день, не менее полутора часов.

Какие пути есть для решения проблемы энергообеспечения? Первый, очевидно, увеличение мощности аккумуляторных батарей. По-настоящему мощные батареи сегодня, такие, которые используются в электромобилях непростительно большие, тяжелые и дорогие. При том, они достаточно быстро приходят в негодность. Сегодня, средняя продолжительность жизни обыкновенного литий ионного аккумулятора, при достаточно активном использовании, составляет примерно два года. Уменьшить размер, вес и вместе с тем емкость и количество циклов зарядки-разрядки батарей в ближайшем будущем поможет изменение их химического состава. В этом направление работают многие исследовательские институты. Поговорим о наиболее перспективных разработках.

Четыре института общества им. Фраунгофера, которые объединили свои усилия в работе над проектом LiScell с целью разработки литий-серных (Li-S) аккумуляторов. В подобных элементах ранее используемый дорогой материал катода литий-ионных батарей может быть заменен недорогой нетоксичной серой. Кроме того, исследователи надеются увеличить энергетическую плотность по меньшей мере на 60%, и в теории она может быть еще выше. Это не выглядит как прорыв, но такие аккумуляторы могут увидеть свет уже в совсем ближайшем будущем. Осталось решить проблемы эффективной и безопасной утилизации серы, и стабильность работы такой батареи в условиях смены температур и влажности.

Еще большего успеха в вопросах химического состава батарей можно достигнуть если сконструировать металло-воздушный аккумулятор. Не так давно японская компания «Fuji Pigment» объявила о возможности производства новых аккумуляторов из алюминия и воздуха. Специалисты «Fuji Pigment» утверждают, что энергетическая плотность их разработки в 40 раз выше плотности литий-ионных батарей. К сожалению, аноды, изготовленные из металла, вследствие электрохимических процессов, протекающих в батарее, быстро приходят в негодность. Но многие специалисты утверждают, что такие аккумуляторы это будущее электромобилей, а в перспективе и мобильных устройств.

Второй путь решения проблемы питания — это ускорение пополнения заряда. Уже действующей разработкой в данном направлении, является литий-нанофосфатные источники питания. Это второе поколение привычных нам литий-ионных батарей. Они имеют все те же преимущества, что и младшее поколение, но при этом заряжаются в разы быстрее. Среднее время зарядки такого аккумулятора составляет всего 15 минут. При этом, они более надежны, чем обыкновенные, выдерживают в среднем в десять раз больше циклов разрядки. Таких характеристик удалось достигнуть благодаря использованию наночастиц, обеспечивающих более интенсивный поток ионов. Такие батареи уже доступны в продаже, однако, их распространению мешает необходимость в специальном зарядном устройстве и больший вес по сравнению с литий-ионными источниками питания.

Ученые из Университета Вандербильта предложили создавать аккумуляторы на основе кремния. Если обычные батареи накапливают энергию за счет химических реакций, то кремниевые — за счет сбора ионов на поверхности пористого материала. В результате на зарядку аккумуляторной батареи требуются не часы, а минуты. Или даже — в перспективе — секунды.

Пока использовать разработки американцев в индустрии мобильных гаджетов нельзя: кремний вступает в химическую реакцию с большинством химикатов, входящих в состав электролитов, которые обеспечивают поступление ионов для подзарядки. Теперь ученые бьются над тем, чтобы снизить химическую активность кремния: для этого, скорее всего, поверхность металла будут покрывать нанослоем графена. Первые эксперименты показали, что это, в принципе, возможно.

Исследователи из университета Кванджу в Южной Корее пошли еще дальше и разработали основанный на графене ионистор: он немного уступает литий-ионным аккумуляторам в плане емкости, но заряжается всего за 16 секунд. Килограмм такого вещества хранит 64 ватт-час электричества, в то время как традиционный литиевый аккумулятор — 100 – 200 ватт-часов на килограмм. Но поскольку батарея заряжается всего за 16 секунд, то пользователю смартфона с таким аккумулятором не составит труда заряжаться несколько раз в сутки.

В заключении хочется отметить, что качественный прорыв в вопросах энергообеспечения даст новый толчок в развитии другого очень интересного, и, безусловно перспективного направления прикладной информатики: Биоинженерии и имплантации с использованием информационных технологий. Не за горами создание имплантатов, которые не будут уступать реальным органам или даже превосходить их. Вопросы питания таких систем одна из наиболее выраженных проблем.

Недавно аналитики из консалтинговой компании McKinsey представили доклад, рассказывающий о десяти прорывных технологиях, которые изменят жизнь, бизнес и экономику в ближайшие годы. Одно из направлений, в которое верят специалисты, — новые разработки в области аккумуляторных батарей и других систем хранения энергии. Электричество, хранящееся в батерях, станет гораздо легче переносить и «собирать», а емкость аккумуляторов в электронных устройствах, как ожидается, вырастет в несколько раз уже к 2025 году. Как видно из описанных ранее примеров, эти выводы не беспочвенны.

Код для цитирования: Скопировать