Как менялись аккумуляторы в смартфонах
Такое сравнение нельзя считать корректным. Потому, что новые смартфоны намного более продвинутые по сравнению с Nokia 3310, и они потребляют гораздо больше энергии. Так что когда аккумуляторы сегодня способны обеспечить им день или даже дня автономной работы, можно говорить о том, что это результат положительный. И на это у разработчиков ушли долгие годы различных изысканий и экспериментов.
ВАЖНО! И теперь есть надежды, что смартфоны уже в ближайшей перспективе смогут предложить гораздо большее время эксплуатации устройства. Но когда наступит это время? Далее мы расскажем, как развивались источники питания. И вы узнаете, какие инновации будут способствовать тому, чтобы был выполнен рывок в автономности гаджетов.
Как устроен аккумулятор? Его принцип действия
Так называется вещество, которое может проводить электрический заряд за счет большой концентрации ионов. Это относится к положительно заряженным катионам и отрицательно заряженным анионам. А растворы щелочей, кислот либо солей выступают в качестве электролита.
Анод с отрицательным зарядом (цинк, свинец, кадмий и прочие металлы) содержит восстановитель, и он во время окислительной реакции отдает электроны. Данные электроны по внешней цепи переходят к катоду с положительным зарядом (оксид свинца, марганца и прочие). Там они принимают участие в реакции, благодаря которой окислитель восстанавливается.
ВАЖНО! Если подключить к электродам нагрузку, то таким образом создается замкнутая электрическая цепь, и через нее будет проходить ток разряда. Он создается за счет того, что электроны в металлических составляющих и анионы с катионами в электролите осуществляют движение.
Аккумуляторы в первых мобильных девайсах
Роль анода в них играл гидроксид кадмия, а катода – гидроксид никеля. А в качестве электролита применялся щелочной раствор. Заряжать указанные батареи нужно было до шести часов. Но автономная работа гаджета при этом продолжалась не более часа.
ВАЖНО! А еще Ni-Cd аккумуляторы были с эффектом памяти. Он заключался в том, что емкость после подзарядки источника питания, не до конца разряженного, уменьшалась. По этой причине пользователи вынуждены были их полностью разряжать и заряжать. В противном случае время работы не могло дотянуть и до одного часа, а сам аккумулятор выходил из строя очень быстро.
Также Ni-Cd аккумуляторы слишком быстро грелись, как только подключалась нагрузка. А еще аккумуляторы были тяжелыми и крупными. То есть реально существовала проблема, как уменьшить габариты мобильных телефонов.
Потом появились никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Они должны были устранить эти недостатки. Роль анода вместо гидроксида кадмия взял на себя металлогидридный сплав никель-лантан либо никель-литий.
В сравнении с Ni-Cd новый вариант аккумуляторов мог уже предложить мощность и энергетическую плотность, которая гораздо выше. Удалось снизить размеры Ni-Mh батарей так, что при этом одновременно была увеличена емкость.
ВАЖНО! Ni-Mh стал привлекательным для сотовых телефонов. К сожалению, такие батареи продолжали сильно греться и «вздуваться». У них также был эффект памяти. И все-таки до начала нулевых они пользовались популярностью. А потом заявил о себе новый подход.
Появление Li-ion аккумулятора
Только через 15 лет в Японии ученый Акира Йошино смог представить подходящие электроды для подобного рода элементов питания. Для анода японец предложил применять подложку из медной фольги, для катода – подложку из фольги алюминиевой.
А впервые серийный выпуск Li-ion аккумуляторов наладила компания Sony. Это было в 1991 году. За счет перехода на новую технологию удалось существенно нарастить энергетическую плотность, а еще убрать наконец из аккумуляторов пресловутый эффект памяти. Явным достоинством новой технологи стала возможность сократить время зарядки.
У тогдашних Li-ion батарей энергетическая плотность составляла 100 Вт*ч/кг. Потом технология много раз оптимизировалась. Проводилось много экспериментов с материалами и компоновкой. И в настоящее время уже есть аккумуляторы, плотность которых 300 Вт*ч/кг.
ВАЖНО! Форма аккумуляторов претерпевала большие изменения. Ведь стояла задача – как можно эффективнее применять пространство. В частности, в 2019 году вышел iPhone 11 Pro Max. И у него был L-образный аккумулятор. Напомним для сравнения, что в iPhone XS Max использовалась батарея с двумя ячейками.
Теперь аккумуляторы, емкость которых 5000 мА*ч, бывают даже в дешевых смартфонах. Li-ion батареи продолжают развиваться и дальше. Скажем, становится все меньше толщина сепаратора, а также подложек анода и катода из различных металлов. В результате батарейные ячейки меньше, а емкость сохраняется.
Поскольку компоновка уплотнялась, то обострилась проблема нагрева. Эффективность Li-ion батарей сейчас составляет 95 процентов. Оставшиеся 5 процентов энергии превращаются в тепло. Кажется, что это мало. Однако в случае инженерных ошибок даже такой нагрев может стать причиной выхода аккумулятора из строя.
ВАЖНО! Но у Li-ion аккумуляторов была и еще проблема – постепенная деградация. За пару лет Li-ion батарея теряла примерно 10 процентов емкости. Даже если она не применяется. В среднем такие аккумуляторы служат 5 лет. А потом им предстоит утилизация.
Перспективы развития технологий
Ученые считают, что придет время, когда будут появляться аккумуляторы, энергетическая плотность которых до 400-500 ватт-час на килограмм массы. Это примерно в 2 раза выше по сравнению с современными литий-ионными аккумуляторами.
Сегодня данные батареи не могут выдержать много перезарядок. Явной проблемой является плохая совместимость с электролитами. По этой причине происходит падение энергетической плотности и мощности.
Мы вправе ждать перемен. Ведь в 2021 году ученые в Японии впервые придумали твердый электролит для литий-серных аккумуляторов. Уже после первых опытов удалось добиться существенного повышения энергетической плотности.
ВАЖНО! Однако у данного материала проявилось быстрое окисление. И он теряет свои свойства, как только приходит время сделать очередной цикл зарядки. Что делать? Решили добавить в электролит наночастицы из атомов углерода, а также некоторые соли лития.
Еще одно интересное направление – батареи, у которых твердотельный электролит. Они предложат высокую емкость. Но не только. А еще они позволят избавиться от одной из причин деградации Li-ion батарей, когда металлический литий осаждает древообразные структуры (дендриты) от анода к катоду. Они пробивают сепаратор, что может привести к короткому замыканию.
А еще твердотельный электролит может сделать так, что аккумуляторы смогут противостоять отрицательным температурам. Сегодня Li-ion батареи показали свою эффективность в очень узком диапазоне температур — от 0°С до +35°С.
ВАЖНО! Когда температура низкая, то вязкость жидкого электролита резко нарастает, а транспортная способность ионов лития затруднена. И потому аккумулятор быстро разряжается. Если применить твердотельный электролит, то с проблемой будет покончено.
В настоящее время производители ведут активную разработку батарей данного типа. Можно предположить, что новая разработка найдет использование в смартфонах в 2024 году.
|
|