СЕРВИСЫ
Каталог IT 
Разработка сайтов
Интернет-провайдеры

Отправить новость

Сообщите новость, интересную читателям 42.TUT.BY


реклама

От нескольких часов работы до суперавтономности. Вспоминаем, как менялись батарейки в мобильниках


Аркадий Мессерер,

Партнер проекта

Пусть технологическая отрасль ежегодно демонстрирует небывалые достижения научной мысли, по-прежнему актуальным остается ключевой вопрос. Связан он с энергией, нужной для работы электроники. И одно дело, когда речь идет о телевизорах или холодильниках, питающихся от домашней розетки, — совсем другое, когда мы говорим о мобильных устройствах.

Очевидно, нужен надежный источник, который должен быть не только достаточно компактным и легким, но и способным подпитывать тот же телефон на протяжении приемлемо длительного времени — аккумуляторные батареи, то есть многоразовые элементы питания, которые, будучи перезаряженными, готовы вновь отдавать электроэнергию.

Именно об этом важном элементе телефонов и смартфонов мы поговорим в очередном материале «Мобильной эволюции».

В цикле «Мобильная эволюция» мы вспоминаем о том, как менялись сотовые телефоны с середины прошлого века до сегодняшних дней. Мы расскажем, как эволюционировали дизайн гаджетов, их камеры, экраны, беспроводные модули и время автономной работы.

Основных типов аккумуляторов, которые используются в мобильных устройствах, совсем немного — четыре. И они следующие: никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol). Они имеют различия в основном в материалах электродов и электролитов.

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы — начало эры

Никель-кадмиевая батарея придумана давно — в 1899 году шведским изобретателем Вальдемаром Юнгнером (Waldemar Jungner). В ее основе лежит электрохимия гидроксида оксида никеля на положительном электроде и металлического кадмия на отрицательном, находящихся в среде гидроксида калия, выступающего электролитом.

Основная проблема, связанная с выпуском полностью герметичных батарей, не нуждающихся в клапане для избавления от образующихся в результате электролиза газов, была решена в 1947-м.

 Изображение: Power-Sonic.
Многообразие никель-кадмиевых аккумуляторов.

Преимуществ у никель-кадмиевых аккумуляторов перед более современными достаточно много. Так, они более чем надежны, работают в широком диапазоне температур, экономически выгодны, просто заряжаются. При должном обслуживании могут оставаться в строю долгое время, обещая не менее тысячи циклов заряда-разряда.

Использование никель-кадмиевых аккумуляторов на практике сводится к контролю за тем, чтобы их зарядка производилась, только когда батарея полностью разряжена. Иначе мы сталкиваемся с так называемым эффектом памяти: аккумулятор как будто «помнит», что был разряжен не полностью, в процессе заряда накапливая меньшее количество энергии.

Связано это с укрупнением кристаллических конгломератов электролита на электродах.

Рулонное строение никель-кадмиевого аккумулятора. Изображение: tools4home.ru.

Недостатки

Между тем, поскольку идеальных вещей, увы, не бывает, никель-кадмиевые аккумуляторы не лишены недостатков.

Показатель энергетической плотности у них низок, то есть они не способны сохранить обилие энергии на единицу полезной массы или объема. Справедлива высокая степень саморазряда: даже если не пользоваться устройством, батарея теряет где-то 20% заряда в месяц.

Наконец, кадмий относится к токсичным для окружающей среды веществам и для его корректной утилизации требуется особое, дорогостоящее оборудование.

К моменту готовности Motorola DynaTAC 8000X, самого первого серийного сотового телефона в портативном исполнении, отрасль давным-давно освоила выпуск никель-кадмиевых аккумуляторов. В случае нашего мобильника, который появился в свободной продаже в 1984 году, элемент питания составлен из шести цилиндрических «банок», последовательное соединение которых дает напряжение 7,2 вольта.

Мобильные «кирпичи» прошлого века были громоздкими в основном из-за огромных аккумуляторов. Изображение: eBay.

DynaTAC 8000X способен продержаться от такого аккумулятора в пределах максимум одного часа разговоров, притом что на его полную зарядку уходит внушительных 10 часов. Впрочем, отдельно предлагалось зарядное устройство, подпитывающее аккумулятор в ускоренном темпе — за один час.

Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы: больше емкость при старых размерах

В 1970 году началось активное изучение никель-водородных систем для питания спутников. Речь шла об использовании положительного никелевого электрода из никель-кадмиевой батареи и хранящегося в баллонах под давлением газообразного водорода, выступающего вместе с катализатором отрицательным электродом.

Попутно проводились эксперименты по замене водорода на его связанную в виде гидридов форму, позволяющую сделать батареи значительно компактнее.

Использование никель-металлгидридных элементов питания позволило резко снизить габариты и вес мобильных телефонов. Изображение: eBay.

По итогам космические аппараты так и остались во власти никель-водородных систем, так как только в 1987 году удалось придумать металлический сплав сложного состава, накапливающий атомарный водород и стабильный в среде щелочного электролита. Первые никель-металлгидридные аккумуляторы поступили в продажу в 1989-м.

Основное преимущество никель-металлгидридных батарей перед никель-кадмиевыми заключено в повышенной на 30–40% энергетической плотности. Другими словами, такой же по размерам аккумулятор способен дольше поддерживать автономную работу устройства.

Элементы этого типа менее склонны к «эффекту памяти», периодическая их тренировка полным разрядом нужна не так часто, в составе отсутствуют слишком токсические вещества. На этом, впрочем, все плюсы и заканчиваются.

Никель-металлгидридный аккумулятор для Nokia 3310 всё равно выглядит слишком толстым по нынешним меркам. Изображение: egyptiantechlover.blogspot.com.

Недостатки

При активной эксплуатации никель-металлгидридные аккумуляторы быстро выходят из строя, их жизненный цикл явно ограничен, они чувствительны к температурным перепадам, склонны к быстрому саморазряду, требуют сложного алгоритма зарядки по причине перегрева из-за повышенного внутреннего сопротивления.

Вообще никель-металлгидридные батареи уместно воспринимать не более как переходным звеном, ограниченным химической природой никеля, на пути к элементам питания на основе лития.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы — самые распространенные

Сегодня литий-ионные элементы питания являются самыми распространенными в потребительской электронике, поскольку совокупность их положительных характеристик наиболее оптимальна в сравнении с такими же в прочих типах аккумуляторов.

Исследования в стезе литий-ионных батарей начались в 1970-х годах, первые коммерчески готовые изделия появились в 1991-м.

Базовая конструкция реализована катодным материалом (обычно графитом) на алюминиевой фольге и анодным — на медной, разделенных пропитанными электролитом (соль лития в органическом растворителе) пористыми сепараторами.

В качестве катодного вещества используются разнообразные ионные соединения лития: он, будучи самым легким из металлов, характеризуется великолепным электрохимическим потенциалом и обеспечивает максимальную энергоплотность на единицу массы.

А вот что находится внутри литий-ионного аккумулятора:

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Литий-ионные аккумуляторы не нуждаются в обслуживании: их можно подзаряжать, не обращая внимания на то, сколько накопленного заряда осталось. Высокое отдаваемое напряжение позволяет формировать батарею из одного элемента питания, тем самым упрощая дизайн.

Показатель саморазряда наполовину меньше, чем у никель-кадмиевых батарей, что очень хорошо подходит для современных энергопрожорливых устройств.

Высокий показатель энергоплотности литий-ионных аккумуляторов выражается в компактности батарей. Изображение: overstock.com.

Недостатки

Вместе с тем литий-ионные элементы питания не обошли недостатки. Если батарея разрядится ниже определенного порогового уровня, вернуть ее к жизни обычным зарядным устройством не удастся.

Даже если аккумулятор не используется и хранится в прохладном месте, с каждым годом он все равно стареет, теряя способность накапливать энергию.

Кроме того, при совпадении некоторых условий, включая повышение рабочей температуры, короткое замыкание, повреждение корпуса батареи, вполне возможны случаи возгорания и даже взрыва литий-ионного аккумулятора.

Вот как выглядит взрыв литий-ионного аккумулятора в случае повреждения его корпуса:

Внимание! У вас отключен JavaScript, ваш браузер не поддерживает HTML5, или установлена старая версия проигрывателя Adobe Flash Player.

Литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы

Название этого класса аккумуляторов имеет двойственную природу. Изначально под литий-полимерной концепцией подразумевалось использование не жидкого, а полимерного электролита, который в теории делает возможным создание батарей любой формы — тонких, гибких и полностью безопасных.

Такие элементы питания уже придуманы, однако их технология до конца не выведена на нужный для коммерческого использования уровень.

Первым телефоном с литий-полимерным аккумулятором стал Ericsson T28s образца 1999 года. Изображение: Ericsson.

К куда более распространенной трактовке понятия литий-полимерных аккумуляторов относится облачение литий-ионных батарей не в жесткий и прочный корпус, а в податливый из какого-либо полимерного материала.

Итогом ставится снижение веса и свобода конструкции, которая может принимать самые причудливые формы. Последний факт позволяет создавать элементы питания, заполняющие все свободное пространство внутри корпуса устройств.

Изогнутые батареи пригодятся не только в смартфонах, но и смарт-часах. Изображение: Samsung.

Что касается электролита, он все равно оказывается жидким, хотя полимерные добавки и делают его в некотором роде пластичным либо гелеобразным. Электрохимия по-прежнему остается такой же, как в случае литий-ионных аккумуляторов.

Аккумуляторы будущего

В новостном потоке с должной периодичностью появляются сообщения о разработке новых типов аккумуляторных батарей, характеризующихся высокой энергетической плотностью, длительным жизненным циклом, невероятными тонкостью и легкостью. Смогут ли такие элементы питания появиться в мобильных телефонах? И да, и нет.

Один тип аккумуляторов может быть приспособлен для использования в компактных устройствах, однако быстро изнашивается. Второй вариант батарей накапливает много энергии, но получается громоздким. Наконец, третий получается неплохим по всем ключевым параметрам на фоне слишком высокой цены для эксплуатации обычными потребителями.

«Атомная» батарейка, автономность которой почти не ограничена, нам только снится. Хотя безопасные бета-гальванические источники энергии на основе трития уже разработаны. Изображение: City Labs.

Производители батарей осведомлены о том, что нужно пользователям, и отрасль мобильных телефонов — яркий пример того, как технологии подстраиваются под актуальные потребности.

Акцент вначале делается на компактность элемента питания, высокий показатель плотности энергии и низкую стоимость владения. На втором месте находится длительность автономной работы без перезаряда.

Для того чтобы появилась настоящая чудо-батарея, технологический процесс должен не просто созреть, а доказать собственное превосходство над теми же литий-ионными аккумуляторами, которые, к слову, совершенствуются буквально каждые полгода.

Коротко расскажем о последних достижениях индустрии литий-ионных батарей — иные типы элементов питания сейчас рассматривать нет смысла.

В 2015 году исследователи из Массачусетского технологического института предложили заменить традиционный графит в аноде на массив крошечных капсул из диоксида титана, заполненных алюминием.

В процессе заряда и разряда алюминий без проблем расширяется и сжимается, будучи надежно отделенным от электролита. На полную зарядку уходит шесть минут.

За счет алюминия получившаяся батарея характеризуется вчетверо большей энергетической плотностью, чем обычная литий-ионная. Наноструктура напоминает яйцо: титан — белок, алюминий — желток. Изображение: Nature.

В 2014 году в Райсовском университете завершились испытания гибкого аккумулятора, в котором электроды из нанопористого фторида никеля погружены в твердый электролит без лития. Батарея сохраняет три четверти энергетической емкости после тысячи циклов ее сгибания и десяти тысяч циклов заряда-разряда.

Тонкопленочная батарея нанесена на гибкий полимерный остов. Ее характеристики схожи с суперконденсаторами. Изображение: Rice University.

В 2014 году в Ренсселеровском политехническом институте было придумано, как отказаться от токсичного и дорогостоящего оксида кобальта-лития на катоде и традиционного графита на аноде за счет использования только графена.

Применение пористого графена стабилизирует батарею, препятствуя прорастанию дендритов лития, вызывающих деградацию элемента питания. Изображение: Rensselaer Polytechnic Institute.

В 2014 году сотрудники Вашингтонского университета анонсировали похожее на жевательную резинку вещество, способное заменить собой жидкий электролит. Субстанция, не уступающая последнему по части проводимости, полностью избавляет литий-ионный аккумулятор от расхожих проблем с воспламенением.

Гибкость электролитной субстанции, обеспеченная воскоподобной основой, не впитывающей проводящую влагу, востребована в развивающейся области носимой на теле человека электроники. Изображение: Washington State University.

В 2013 году ученые из Стэнфордского университета объявили о создании аккумулятора, в котором вместо графита используется кремний. Хрупкие наночастицы последнего защищены проводящим полимерным гидрогелем — губчатой субстанцией, подобной на материал, используемый в контактных линзах. Электроемкость кремния потенциально в десять раз выше, чем у графита.

Литий-ионная батарея нового типа сохраняет высокую электрическую емкость и после 5 тыс. циклов заряда-разряда. Изображение: Stanford University.

Читайте также:

Мобильная эволюция. Дизайн, часть 1: от "чемоданов" и "кирпичей" к флипам и раскладушкам

Мобильная эволюция. Дизайн, часть 2: от слайдеров и ротаторов до моноблоков

Мобильная эволюция. Дизайн, часть 3: самые необычные и экзотические телефоны в истории

Смартфоны Samsung Galaxy соединяют технологии, подчеркивающие индивидуальность своих пользователей.

Флагманские смартфоны Galaxy S6|S6 edge обладают инновационным дизайном, понятным интерфейсом, мощностью процессора и высокой производительностью.

Отправить новость
Сообщите редакции новость, интересную читателям 42.TUT.BY