Від декількох годин роботи до суперавтономності. Згадуємо, як змінювалися батарейки в мобільниках

Партнер проекту

Нехай технологічна галузь щорічно демонструє небувалі досягнення наукової думки, як і раніше актуальним залишається ключове питання. Пов'язані вони з енергією, потрібної для роботи електроніки. І одна справа, коли мова йде про телевізорах або холодильниках, які живляться від домашньої розетки, - зовсім інше, коли ми говоримо про мобільні пристрої.

Очевидно, потрібен надійний джерело, який повинен бути не тільки досить компактним і легким, але і здатним підживлювати той же телефон протягом прийнятно тривалого часу - акумуляторні батареї, тобто багаторазові елементи живлення, які, будучи перезарядження, готові знову віддавати електроенергію.

Саме про це важливий елемент телефонів і смартфонів ми поговоримо в черговому матеріалі «Мобільної еволюції».

У циклі «Мобільна еволюція» ми згадуємо про те, як змінювалися стільникові телефони з середини минулого століття до сьогоднішніх днів. Ми розповімо, як еволюціонували дизайн гаджетів, їх камери, екрани, бездротові модулі і час автономної роботи.

Основних типів акумуляторів, які використовуються в мобільних пристроях, зовсім небагато - чотири. І вони такі: нікель-кадмієві (NiCd), нікель-металгідридні (NiMH), літій-іонні (Li-ion) і літій-полімерні (Li-pol). Вони мають відмінності в основному в матеріалах електродів і електролітів.

Нікель-кадмієві (NiCd) акумулятори - початок ери

Нікель-кадмієві батарея придумана давно - в 1899 році шведським винахідником Вальдемаром Юнгнер (Waldemar Jungner). В її основі лежить електрохімія гідроксиду оксиду нікелю на позитивних пластинах і металевого кадмію на негативному, що знаходяться в середовищі гідроксиду калію, який виступає електролітом.

Основна проблема, пов'язана з випуском повністю герметичних батарей, котрі мають потреби в клапані для позбавлення від утворюються в результаті електролізу газів, була вирішена в 1947-му.

Різноманіття нікель-кадмієвих акумуляторів.

Переваг у нікель-кадмієвих акумуляторів перед більш сучасними досить багато. Так, вони більш ніж надійні, працюють в широкому діапазоні температур, економічно вигідні, просто заряджаються. При належному обслуговуванні можуть залишатися в строю довгий час, обіцяючи не менше тисячі циклів заряду-розряду.

Використання нікель-кадмієвих акумуляторів на практиці зводиться до контролю за тим, щоб їх зарядка здійснювалася, тільки коли батарея повністю розряджена. Інакше ми стикаємося з так званим ефектом пам'яті: акумулятор начебто «пам'ятає», що був розряджений в повному обсязі, в процесі заряду накопичуючи меншу кількість енергії.

Пов'язано це з укрупненням кристалічних конгломератів електроліту на електродах.

Рулонне будова нікель-кадмиевого акумулятора. Зображення: tools4home.ru.

недоліки

Тим часом, оскільки ідеальних речей, на жаль, не буває, нікель-кадмієві акумулятори не позбавлені недоліків.

Показник енергетичної щільності у них низький, тобто вони не здатні зберегти велику кількість енергії на одиницю корисної маси або обсягу. Справедлива високий ступінь саморозряду: навіть якщо не користуватися пристроєм, батарея втрачає десь 20% заряду в місяць.

Нарешті, кадмій відноситься до токсичних для навколишнього середовища речовин і для його коректної утилізації потрібне особливе, дороге обладнання.

До моменту готовності Motorola DynaTAC 8000X, самого першого серійного стільникового телефону в портативному виконанні, галузь давним-давно освоїла випуск нікель-кадмієвих акумуляторів. У разі нашого мобільника, який з'явився у вільному продажі в 1984 році, елемент живлення складено з шести циліндричних «банок», послідовне з'єднання яких дає напругу 7,2 вольти.

Мобільні «цеглини» минулого століття були громіздкими в основному через величезні акумуляторів. Зображення: eBay.

DynaTAC 8000X здатний протриматися від такого акумулятора в межах максимум однієї години розмов, притому що на його повну зарядку йде значних 10 годин. Втім, окремо пропонувалося зарядний пристрій, підживлюють акумулятор в прискореному темпі - за одну годину.

Нікель-металгідридні (Ni-MH) акумулятори: більше ємність при старих розмірах

У 1970 році почалося активне вивчення нікель-водневих систем для харчування супутників. Йшлося про використання позитивного нікелевого електрода з нікель-кадмиевой батареї і зберігається в балонах під тиском газоподібного водню, що виступає разом з каталізатором негативним електродом.

Попутно проводилися експерименти по заміні водню на його пов'язану у вигляді гідридів форму, що дозволяє зробити батареї значно компактніше.

Використання нікель-металгідридних елементів живлення дозволило різко знизити габарити і вага мобільних телефонів. Зображення: eBay.

За підсумками космічні апарати так і залишилися у владі нікель-водневих систем, так як тільки в 1987 році вдалося придумати металевий сплав складного складу, що накопичує атомарний водень і стабільний в середовищі лужного електроліту. Перші нікель-металгідридні акумулятори надійшли в продаж в 1989-му.

Основна перевага нікель-металгідридних батарей перед нікель-кадмієвих укладено в підвищеної на 30-40% енергетичної щільності. Іншими словами, такий же за розмірами акумулятор здатний довше підтримувати автономну роботу пристрою.

Елементи цього типу менш схильні до «ефекту пам'яті», періодична їх тренування повним розрядом потрібна не так часто, в складі відсутні занадто токсичні речовини. На цьому, втім, всі плюси і закінчуються.

Нікель-металгідридні акумулятор для Nokia 3310 все одно виглядає занадто товстим за нинішніми мірками. Зображення: egyptiantechlover.blogspot.com.

недоліки

При активній експлуатації нікель-металгідридні акумулятори швидко виходять з ладу, їх життєвий цикл явно обмежений, вони чутливі до температурних перепадів, схильні до швидкого саморазряду, вимагають складного алгоритму зарядки через перегрів через підвищений внутрішнього опору.

Взагалі нікель-металгідридні батареї доречно сприймати не більше як перехідною ланкою, обмеженим хімічної природою нікелю, на шляху до елементів живлення на основі літію.

Літій-іонні (Li-ion) акумулятори - найпоширеніші

Сьогодні літій-іонні батареї є найпоширенішими в споживчій електроніці, оскільки сукупність їх позитивних характеристик найбільш оптимальна в порівнянні з такими ж в інших типах акумуляторів.

Дослідження в дорозі літій-іонних батарей почалися в 1970-х роках, перші комерційно готові вироби з'явилися в 1991-му.

Базова конструкція реалізована катодних матеріалом (зазвичай графітом) на алюмінієвій фользі і анодним - на мідній, розділених просоченими електролітом (сіль літію в органічному розчиннику) пористими сепараторами.

В якості катодного речовини використовуються різноманітні іонні сполуки літію: він, будучи самим легким з металів, характеризується чудовим електрохімічним потенціалом і забезпечує максимальну енергощільність на одиницю маси.

А ось що знаходиться всередині літій-іонного акумулятора:

Літій-іонні акумулятори не потребують обслуговування: їх можна заряджати, не звертаючи уваги на те, скільки накопиченого заряду залишилося. Висока віддається напруга дозволяє формувати батарею з одного елемента живлення, тим самим спрощуючи дизайн.

Показник саморазряда наполовину менше, ніж у нікель-кадмієвих батарей, що дуже добре підходить для сучасних енергопрожорлівих пристроїв.

Високий показник енергощільність літій-іонних акумуляторів виражається в компактності батарей. Зображення: overstock.com.

недоліки

Разом з тим літій-іонні батареї не оминули недоліки. Якщо батарея розрядиться нижче певного порогового рівня, повернути її до життя звичайним зарядним пристроєм не вдасться.

Навіть якщо акумулятор не використовувати і зберігається в прохолодному місці, з кожним роком він все одно старіє, втрачаючи здатність накопичувати енергію.

Крім того, при збігу деяких умов, включаючи підвищення робочої температури, коротке замикання, пошкодження корпусу батареї, цілком можливі випадки загоряння і навіть вибуху літій-іонного акумулятора.

Ось як виглядає вибух літій-іонного акумулятора в разі пошкодження його корпусу:

Літій-полімерні (Li-pol) акумулятори

Назва цього класу акумуляторів має двоїсту природу. Спочатку під літій-полімерної концепцією передбачалося використання не рідкого, а полімерного електроліту, який в теорії робить можливим створення батарей будь-якої форми - тонких, гнучких і повністю безпечних.

Такі елементи живлення вже придумані, однак їхня технологія до кінця не виведена на потрібний для комерційного використання рівень.

Першим телефоном з літій-полімерним акумулятором став Ericsson T28s зразка 1999 року. Зображення: Ericsson.

До куди більш поширеною трактуванні поняття літій-полімерних акумуляторів відноситься одягання літій-іонних батарей не в жорсткий і міцний корпус, а в податливий з будь-якого полімерного матеріалу.

Підсумком ставиться зниження ваги і свобода конструкції, яка може приймати найхимерніші форми. Останній факт дозволяє створювати елементи живлення, що заповнюють весь вільний простір усередині корпусу пристроїв.

Вигнуті батареї стануть в нагоді не тільки в смартфонах, але і смарт-годинах. Зображення: Samsung.

Що стосується електроліту, він все одно виявляється рідким, хоча полімерні добавки і роблять його в деякому роді пластичним або гелеподібним. Електрохімія і раніше залишається такою ж, як у випадку літій-іонних акумуляторів.

Акумулятори майбутнього

У новинному потоці з належною періодичністю з'являються повідомлення про розробку нових типів акумуляторних батарей, що характеризуються високою енергетичною щільністю, тривалим життєвим циклом, неймовірними тонкістю і легкістю. Чи зможуть такі елементи живлення з'явитися в мобільних телефонах? І так і ні.

Один тип акумуляторів може бути пристосований для використання в компактних пристроях, проте швидко зношується. Другий варіант батарей накопичує багато енергії, але виходить громіздким. Нарешті, третій виходить непоганим за всіма ключовими параметрами на тлі занадто високу ціну для експлуатації звичайними споживачами.

«Атомна» батарейка, автономність якої майже не обмежена, нам тільки сниться. Хоча безпечні бета-гальванічні джерела енергії на основі тритію вже розроблені. Зображення: City Labs.

Виробники батарей обізнані про те, що потрібно користувачам, і галузь мобільних телефонів - яскравий приклад того, як технології підлаштовуються під актуальні потреби.

Акцент спочатку робиться на компактність елемента живлення, високий показник щільності енергії і низьку вартість володіння. На другому місці знаходиться тривалість автономної роботи без перезарядження.

Для того щоб з'явилася справжня диво-батарея, технологічний процес повинен не просто дозріти, а довести власну перевагу над тими ж літій-іонними акумуляторами, які, до слова, удосконалюються буквально кожні півроку.

Коротко розповімо про останні досягнення індустрії літій-іонних батарей - інші типи елементів живлення зараз розглядати немає сенсу.

У 2015 році дослідники з Массачусетського технологічного інституту запропонували замінити традиційний графіт в аноді на масив крихітних капсул з діоксиду титану, заповнених алюмінієм.

В процесі заряду і розряду алюміній без проблем розширюється і стискається, будучи надійно відокремленим від електроліту. На повну зарядку йде шість хвилин.

За рахунок алюмінію вийшла батарея характеризується вчетверо більшою енергетичною щільністю, ніж звичайна літій-іонна. Наноструктура нагадує яйце: титан - білок, алюміній - жовток. Зображення: Nature.

У 2014 році в Райсовском університеті завершилися випробування гнучкого акумулятора, в якому електроди з нанопористого фториду нікелю занурені в твердий електроліт без літію. Батарея зберігає три чверті енергетичної ємності після тисячі циклів її згинання і десяти тисяч циклів заряду-розряду.

Тонкоплівкова батарея нанесена на гнучкий полімерний остов. Її характеристики схожі з суперконденсаторами. Зображення: Rice University.

У 2014 році в Ренсселеровском політехнічному інституті було придумано , Як відмовитися від токсичного і дорогого оксиду кобальту-літію на катоді і традиційного графіту на аноді за рахунок використання тільки графена.

Застосування пористого графену стабілізує батарею, перешкоджаючи проростанню дендритів літію, що викликають деградацію елементу живлення. Зображення: Rensselaer Polytechnic Institute.

У 2014 році співробітники Вашингтонського університету анонсували схоже на жувальну гумку речовина, здатне замінити собою рідкий електроліт. Субстанція, яка не поступається останньому по частині провідності, повністю позбавляє літій-іонний акумулятор від розхожих проблем із запалюванням.

Гнучкість електролітній субстанції, забезпечена воскоподобние основою, що не вбирає провідну вологу, затребувана в розвивається області переносної на тілі людини електроніки. Зображення: Washington State University.

У 2013 році вчені з Стенфордського університету оголосили про створення акумулятора, в якому замість графіту використовується кремній. Тендітні наночастинки останнього захищені проводять полімерним гідрогелем - губчастої субстанцією, схожою на матеріал, який використовується в контактних лінзах. Електроємність кремнію потенційно в десять разів вище, ніж у графіту.

Літій-іонна батарея нового типу зберігає високу електричну ємність і після 5 тис. Циклів заряду-розряду. Зображення: Stanford University.

Читайте також:

Мобільна еволюція. Дизайн, частина 1: від "валіз" і "цеглин" до фліп і розкладачка

Мобільна еволюція. Дизайн, частина 2: від слайдерів і ротаторів до моноблоків

Мобільна еволюція. Дизайн, частина 3: самі незвичайні і екзотичні телефони в історії

Смартфони Samsung Galaxy з'єднують технології, що підкреслюють індивідуальність своїх користувачів.

Флагманські смартфони Galaxy S6 | S6 edge володіють інноваційним дизайном, зрозумілим інтерфейсом, потужністю процесора і високою продуктивністю.