Причины короткого срока службы аккумулятора в смарт-часах

Почему срок эксплуатации смарт-часов вроде Apple Watch, как и прочих носимых гаджетов (в частности, очень востребованного фитнес-браслета Mi Band от Xiaomi), ограничивается только двумя-тремя годами? Вед этот срок очень мал.

Над этой проблемой всерьез призадумались ученые из Warwick Manufacturing Group (WMG) и с отделения физики Университета Уорвика (University of Warwick), что в Великобритании. Чтобы получить ответ на этот вопрос, им пришлось провести большую исследовательскую работу, позволяющую в итоге сделать определенные выводы. 

Доктор Мелани Ловеридж (Melanie Loveridge) поделилась некоторыми подробностями исследования. А мы в свою очередь поделимся ими с вами.

Почему мы говорим «носимые гаджеты»?

«Носимые гаджеты». Не очень красивое определение. Однако надо признать, что это всего лишь наиболее адекватный перевод с английского выражения «wearable technologies». И он прижился. Мы его свободно употребляем в нашей речи. 

И уже давно принято WT называть любые маленькие компьютеры, как и прочую полезную электронику, которая приспособлена для того, чтобы ее постоянно носить при себе. Прежде всего, таким устройством считаются первые наручные часы-калькулятор из 1980-х годов. А самые привычные — разные Bluetooth-устройства. 

Что сейчас относится к этой категории? Это уже ставшие массовыми смарт-часы, фитнес-браслеты. А также различные миниатюрные электронные устройства. К ним относятся и медицинские приборы. 

Каждый девайс, который относится к еще более актуальной концепции Quantified Self, «считывает» человека. Но не только. Он также считывает и окружающую его обстановку. В том числе пульс, количество сделанных шагов, время сна, сожженные и потребленные калории, настроение, а также влажность, температуру окружающего воздуха. 

Предложение таких гаджетов, как показало время, растет постоянно. И это хорошо. Ведь такие девайсы комфортны и автономны, поскольку у них литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. И им не нужна где-нибудь поблизости розетка. Они обходятся без внешних источников питания. 

Что в носимых гаджетах исследовали ученые?

Исследование двух авторитетных научных лабораторий представляет собой опыты и эксперименты, проведенные для того, чтобы оценить, почему так быстро деградировали коммерческие литий-ионные аккумуляторы с катодом типа LiCoO2 (оксид лития-кобальта, LCO) в электронных девайсах , которые имеют малый формат. 

Если говорить проще, то это поиск ответов на вопрос, по какой причине миниатюрные батареи маленьких девайсов довольно скоро теряют свои свойства? Ведь они примерно через полтора года заряд держат уже очень плохо.

Вариант LCO — это катод, в котором сочетание высокого напряжения и плотности энергии считается оптимальным для смарт-часов и прочих мелких гаджетов.

Исследование преследовало цель найти решение конструктивных проблем обмотки элементов питания для смарт-часов и прочих носимых гаджетов. Узнать, есть ли вообще резон в том, чтобы изменять свойства покрытия батарей. 

Чем конкретно занимались исследователи?

Перед учеными стояло несколько задач.

- Анализировать старение из-за асимметрии напряжения на материалах, которые нашли применение внутри аккумулятора.
- Наблюдать за тем, как расслаиваются покрытия электрода с внутренней стороны.
- Изучить, как влияют изменившиеся покрытия на производительность так называемой «скрутки» (цилиндрической ячейки).
- Понять, как образуется двойное химическое соединение лития и фтора (LiF), исследовав то, какое влияние это оказывает на перенос ионов Li+.

Ученые произвели разборку коммерческих элементов и сделали 0,5 тысячи циклов заряда-разряда на аналогичных аккумуляторах, а потом тоже их разобрали. С целью обнаружить структурные особенности и перемены в батарее, ими еще были проведены следующие эксперименты:

- электрохимические нагрузки,
- фотоэлектронная спектроскопия (XPS) при помощи рентгена,
- рентгеновская компьютерная томография (XCT),
- сканирующая электронная микроскопия (SEM).

Что обнаружили ученые?

Проведенная работа позволила установить, что состояние электродов на внутренней и внешней сторонах токосъемника изменилось по-разному.

- ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ КАТОДА

На катоде, который обращен внутрь и находится под сжатием, когда свернут в рулон, были обнаружены явные признаки того, что от фольги из алюминия отслоилось покрытие.

На стороне катода, которая обращена наружу, под натяжением можно увидеть только частичное расслоение. Покрытие перенесено на сепаратор.

- ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ АНОДА

На стороне анода, которая обращена внутрь, при сжатии на фольге из меди почти не осталось покрытия.

На стороне анода, которая обращена наружу, под натяжением можно было увидеть расслоение еще более сильное.

Что означает это для обычных пользователей?

Базовые показатель для нас с вами — это работа литий-ионного аккумулятора в носимых гаджетах. Он уже после пятисот циклов постоянных зарядок и разрядок падает до 82 процентов от изначальной емкости.

Показатель может показаться вполне достаточным. Однако на практике износ всего на 18 процентов говорит о том, что внутри батареи уже есть существенное расслоение. Такое становится возможным из-за того, что в местах изгиба – повышенное напряжение. Значит, старение и износ становятся очевидными. И они со временем лишь усиливаются в столь малых аккумуляторах.

В итоге у таковых срок эксплуатации в Apple Watch, смарт-часах и фитнес-браслетах типа Mi Band 4 имеет четкие ограничения. Это 500 циклов. А потом внутри него поверхностные слои существенно увеличиваются. И все больше LiF обнаруживается на электродах.

Сейчас тех, кто производит аккумуляторы для носимых гаджетов, а также медицинских девайсов, ожидает большая работа. Работа над ошибками. Исследователи посоветовали сделать электрический контакт более качественным. Такой контакт, чтобы зоны сгиба меньше воздействовали на электрохимические параметры материалов, из которых изготовлены батареи.

Аккумуляторы, которым не нужна подзарядка

Надо признать, что громоздкие неэффективные аккумуляторы – это препятствием, которое стоит на пути широкого распространения не только носимых гаджетов, но и девайсов интернета вещей. Ведь они требуют для себя много места. Они нуждаются в том, чтобы их постоянно подзаряжали. 

Как решить проблему? Можно использовать материалы, которые создали ученые из Японии. Они растягиваются. И при таком расширении могут собирать энергию, которая нужна для работы девайса. 

Подобные материалы должны обладать особой гибкостью. Но не только. Они также должны обеспечивать мощность, необходимую для того, чтобы поддерживать работу девайса без дополнительной подзарядки. Ранее изобрести такую технологию не получилось. Однако группа исследователей из Университета Нагоя смогла решить проблему растяжимости. И проблему низкой выходной мощности – тоже.

Ученые смогли придумать такой прозрачный и хорошо растягивающийся трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ), который обладает способностью повторять движения пользователя. Для этого они использовали как электрод для ТЭНГ тончайшую пленку из углеродных нанотрубок (CNT-пленка). 

Процесс, когда механическая энергия преобразуется в электричество, получил название «контактной электрификации» либо «электростатической индукции». Японским ученым удалось сделать ТЭНГ, площадь которого 12 на 12 сантиметров. Так они получили плотность выходной мощности 8 Вт на квадратный метр.

Исследователи получили отличные результаты во время проведения эксперимента. Они уверяют, что растяжимые генераторы – это начальный шаг на пути к снижению зависимости гаджетов от аккумуляторных батарей, в которых нуждаются носимые девайсы. Однако в ближайшем будущем все же не стоит ждать миниатюрные аккумуляторы, которые будут в эксплуатации дольше пятисот циклов заряд-разряд.