какие аккумуляторы используются в телефонах
Аккумуляторы для мобильных устройств — разновидности, сравнительные характеристики
Никель-кадмиевый, никель-металлгидридный или литий-ионный? А может быть лучше приобрести литий-полимерный аккумулятор? А какой дольше работает? А с каким меньше хлопот? Слышал, Моторола разработала какие-то новые топливные элементы, в которые что-то заливается. Случайно не бензин? Вопросы, вопросы, вопросы…
Попробуем разобраться по порядку.
Типы аккумуляторов
На сегодняшний день для питания мобильных устройств, портативных компьютеров и оборудования наиболее широко применяются аккумуляторы следующих электрохимических систем: герметичные свинцово-кислотные (SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion). Постепенно начинают завоевывать позиции в сфере сотовых телефонов и портативных компьютеров литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Ведутся разработки в области топливных элементов и некоторых других перспективных технологий изготовления аккумуляторов [4].
Технические характеристики основных типов аккумуляторов приведены в таблице 1 [3] с разрешения компании Landata [2].
Таблица 1. Разновидности аккумуляторов по электрохимической системе
Каждому типу аккумуляторов свойственны определенные достоинства и недостатки. Рассмотрим и те, и другие подробнее.
SLA аккумуляторы
Область применения — блоки бесперебойного питания (UPS), системы охранной сигнализации, устройства железнодорожной автоматики и связи, инвалидные коляски, резервное освещение. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые модели переносных сотовых телефонов и видеокамер. В целом можно сказать, что SLA аккумуляторы обычно используются в тех случаях, когда требуется большая мощность, минимальная стоимость, а габариты и вес не критичны. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А·час. Поскольку в современных мобильных устройствах эти аккумуляторы на данный момент практически не применяются, то всех интересующихся вопросами по SLA аккумуляторам отправляю на [3].
NiCd аккумуляторы
Область применения: сотовые телефоны, обычные и транковые радиостанции, домашние радиотелефоны, переносные компьютеры, видеокамеры, ручные мощные электроинструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование. Новые модели сотовых телефонов и портативных компьютеров этими аккумуляторами уже не комплектуются. Но в транковых и обычных радиостанциях по-прежнему широко распространены.
NiMH аккумуляторы
В недалеком прошлом NiMH аккумуляторы пришли на смену NiCd. Однако их шумно разрекламированные преимущества не обеспечили 100% удовлетворение запросов пользователей, главным образом из-за сокращенного срока службы.
Характерные особенности NiMH аккумуляторов.
Li-ion аккумуляторы
Область применения: сотовые телефоны и всякого рода переносные компьютеры. По данным экспертов корпорации Varta уже в ближайшее время Li-ion аккумуляторы начнут вытеснять с этого рынка не только NiCd, но и NiMH аккумуляторы. Конструктивно этот тип аккумуляторов содержит внутреннюю схему управления и защиты, призванную ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, для обеспечения безопасности при их эксплуатации должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента.
Li-Pol аккумуляторы
Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) — следующий этап в развитии литиевой технологии. Потенциально они менее дороги, чем Li-ion аккумуляторы. Но как любой новый продукт, не достигший массового применения, Li-pol аккумуляторы наиболее дороги на данный момент.
Область применения: сотовые телефоны и переносные компьютеры. Полные данные о параметрах аккумулятора пока не известны. Можно отметить только пока малое, в сравнении с другими типами аккумуляторов, число циклов заряда / разряда и небольшой ток нагрузки. Однако имеется преимущество в конструктивном исполнении. Технология их производства допускает изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место в устройстве.
Итак, мы рассмотрели основные характеристики наиболее распространенных видов аккумуляторов в хронологическом порядке их появления на рынке. Именно в таком порядке они и сменяли и сменяют друг друга в мобильных устройствах и портативных компьютерах. Однако не следует списывать «старичков» со счета раньше времени. Во многих устройствах они продолжают исправно и надежно работать. Их технологию производства, конструкцию и сервисные элементы продолжают совершенствовать. Например, в видеокамерах. Впрочем, это предмет отдельного разговора, и достаточно подробно он освещен в информационно-техническом журнале «625». Тема номера журнала — аккумуляторы для профессиональных видеокамер и зарядные устройства к ним. Цикл статей, хотя и специфичен, но интересен и, безусловно, будет полезен всем, кого интересуют вопросы и проблемы эксплуатации аккумуляторов. В электронном виде со статьями можно познакомиться на [3].
Любопытные сведения по аккумуляторам приведены в [5], а химическим источникам тока и аккумуляторам посвящены две статьи в журнале Электронная промышленность [6].
При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. [1], а также компанией Landata, г. Москва [2].
Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [3].
Анатомия мобильного аккумулятора
Содержание
Содержание
Тысячи мобильных гаджетов нуждаются в бесперебойных поставках энергии в свои маленькие тела. Энергоносителем для таких устройств выступают аккумуляторы, запасающие электричество в ячейках. В отличие от обычных батареек, они способны выдержать до 15 000 циклов заряда-разряда.
Устройство аккумулятора
Классическая батарея — банка с положительно заряженным графитовым анодом и отрицательно заряженным катодом, между которыми находится пористая прокладка, покрытая активным веществом — электролитом. Электрический заряд хранит в себе положительно заряженные ионы, выстраивающиеся в кристаллическую решетку токопроводящего электролита. При зарядке, ток гонит ионы к аноду, при разрядке они меняют свое направление, отправляясь обратно к катоду.
Сейчас выделяют три основных типа перезаряжаемых батарей: металл-гидроидные (Ni-MH), никель-кадмиевые (Ni-Cd) и литий-ионные (Li-ion).
Ni-cd и Ni-MH злопамятные. Они запоминают, что их уже зарядили, и теряют часть емкости при новой попытке заправить их под завязку — процесс получил название «эффект памяти». Именно из-за этого особой популярности у переносных устройств они не завоевали.
В свою очередь литиевые подразделяются на кобальтовые, марганцевые и титанатные. Именно о них мы и поговорим в данном блоге, ведь только Li-ion оптимально зарекомендовали себя среди мобильных устройств.
Литиевое семейство
LiCoO2 — химическое соединение литий-кобальта, которое отличается высокой энергоемкостью с номинальным напряжением в 3,6 В и пиковым — 4,2 В. Легкие, емкие, быстро заряжаются и гарантированно обеспечивают стабильную работу шуруповерта, ноутбука, телефона на протяжении до 1000 перезарядок. Единственный минус — высокая цена кобальта, из которого делают катод.
LiMn2O4 — литий-марганцевые батареи имеют более высокое напряжение при сниженном жизненном цикле — 700 перезарядов. Применяются в энергоемких гаджетах.
LiNiMnCoO2— удачный результат симбиоза, получивший неоспоримое преимущество. Литий-никель-марганец-кобальтовые аккумуляторы могут перезаряжаться до 2000 раз, в каждой банке до 2800 мА·ч. Используются для создания источников питания для автомобилей, гироскутеров.
Li4Ti5O12 — литий-титанатный конкурент вышеописанного аккумулятора. Заряжается в 5 раз быстрее, но выдает низкий ток и не так энергоэффективен. Размер батареи на 200-300% больше LiNiMnCoO2 при равном объеме, из-за этого не может применяться в носимых устройствах. Литий- титанатные аноды испускают дух только после 15 000 циклов и эффективно противостоят холоду, поэтому их используют в Московских электробусах.
Li-pol — литий-полимерные аккумуляторы на 25% энергоэффективнее, но при этом быстрее деградируют, способны перезаряжаться около 1000 раз. Полимер позволяет делать батарею гибкой, благодаря этой технологии появилось большое количество сгибаемых портативных устройств.
Отрицательная черта всего семейства литий-ионных батарей — чувствительность к сильным токам и страх перед полной разрядкой. Под высокой нагрузкой они теряют часть «жизненных сил» и быстрее выходят из строя. Решают эту проблему контроллеры заряда, следящие за силой тока и нагревом батарейки. Чем полней коробочка, тем жарче внутри, именно поэтому быстрая зарядка работает только до 50%, затем интенсивность заполнения емкости снижается. Подробнее можно ознакомиться здесь.
Проблема недержания
Отработав несколько сотен циклов, батарея начинает деградировать, частично теряя способность удерживать заряд. Процесс заполнения батареи энергией похож на накачку водонапорной башни. Чтобы поднять жидкость вверх, потребуется энергия, назад вода бежит своим ходом. Тоже происходит и с ионами, чтобы оторвать их от катода, требуется ток, от анода они убегают самостоятельно.
Тепло и мороз
Высокие температуры, равно как и мороз, негативно влияют на поведение накопителя. Набившись стайкой в банку, ионы провоцируют повышение градуса по Цельсию. Каждый раз, когда аккумулятор «жарится» под нагрузкой или при зарядке, часть ионов слипается, лишаясь возможности двигаться и передавать энергию.
Холод тоже негативно влияет на способность батареи к удержанию энергии и способен нанести необратимый урон. Почему аккумуляторы теряют стойкость на морозе и как уберечь свой гаджет от быстрой потери заряда, вы можете прочитать в блоге на эту тему.
Кислая проблема
С точки зрения химии в батарее происходит окислительно-восстановительный процесс, его проявление иногда заметно на поверхности батарей, покрывшихся белым/зеленым порошком — окисью. Катод и анод предают энергию через коллектор тока, связанный с ними клейким материалом. Со временем «сцепка» осыпается из-за циклов нагрева и охлаждения, обнажая алюминиевую ножку коллектора. Анод передает эстафету коррозии коллектору, который по своей ножке поднимает окись вверх. Катод состоит из графита, который может покрыться налетом, но передать окись металлу не способен. Иногда к ним присоединяется электролит, выливающийся из-за повреждения банки, слишком разросшимся кристаллом — это процесс сопровождается вздутием. Батарея — должна быть герметична, если окись вышла посмотреть, что делается в большом мире, внутри полный аут, остается только выкинуть.
Что в итоге?
Идеальных аккумуляторов не существует, более чем за 100 лет производства инженеры разработали десятки видов накопителей энергии, но не смогли создать универсального. Подбирая аккумулятор, необходимо ориентироваться на конкретные задачи, выбирая между объемом и мощностью.
Чем отличаются батареи телефонов и какую лучше выбрать
Многие думают, что аккумуляторы все одинаковые и максимум знают, что они отличаются по емкости. Но этого знания недостаточно, чтобы разбираться в современных накопителях энергии. На самом деле отличия между ними намного важнее, чем может показаться на первый взгляд. К сожалению, производители устройств не дают выбора аккумулятора, который в них встроен, но можно же выбрать другого производителя или просто отказаться от гаджета. Если вы хоть раз покупали устройство с аккумулятором или только собираетесь его купить, тогда лучше ознакомьтесь с материалами, приведенными в этой статье.
Заряжать телефон можно по-разному, но аккумулятор в нем должен быть правильный.
Какие аккумуляторы бывают в телефонах
Так уж повелось, что исторически в смартфоны и другие подобные устройства устанавливали именно литий-ионные батареи (Li-ion). Они не обладают эффектом памяти, достаточно долговечные и не очень тяжелые. Можно сказать, что все в них хорошо. Ну, или было хорошо до определенного момента.
Сейчас производители начали переходить на новый тип батарей, который называется литий-полимерные (Li-poly). Такой тип более универсальный и подходит для разного рода потребительской электроники. Учитывая проблемы перегрева литий-ионных аккумуляторов, переход на новый тип не может не радовать.
Безопасность аккумуляторов, особенно на фоне историй о взрывающихся смартфонах, является серьезной проблемой и важной темой для обсуждения. Давайте разберемся, что они из себя представляет и почему надо обращать на них внимание при выборе и особенно при хранении.
Как работают литий-ионные аккумуляторы
Мало кто знает, но литий-ионная батарея появилась еще в 1912 году, но использовалась крайне редко до тех пор, пока в 1991 году на нее не обратила внимания компания Sony и не начала активно внедрять ее в свои камеры, плееры и другие устройства.
Четверть владельцев смартфонов скучают по съемным аккумуляторам. Почему?
”Новый” тип батарей оказался относительно недорогим в производстве, имел высокую плотность энергии и не имел эффекта памяти, то есть испортить его частыми зарядками на половине емкости было нельзя.
Эти батареи состоят из двух положительных и отрицательных электродов, разделенных жидким химическим электролитом, таким как этиленкарбонат или диэтилкарбонат. Из-за особенностей химического состава такая батарея может быть только прямоугольной. Именно поэтому Г-образные аккумуляторы в смартфонах часто являются просто двумя батареями, соединенными друг с другом.
Вот так может вздуться аккумулятор, если с ним что-то не так.
Емкость литий-ионного аккумулятора уменьшается со временем. Чем больше циклов зарядки, тем меньше емкость батареи. А еще такая батарея имеет свойства саморазряда. Она может разрядиться, когда просто лежит и не используется. Даже отдельно от устройства.
Как отключить приложения в фоновом режиме и сэкономить аккумулятор
Серьезным минусом таких батарей является то, что электролит в них становится нестабильным при экстремальных температурах и проколах оболочки. Это приводит к ”тепловому истощению” и воспламенению. Правда, не стоит сразу откладывать телефон подальше в комнату с бетонными стенами. Такое происходит очень редко — просто это возможно. Для того, чтобы этого не произошло, предусмотрены специальные контроллеры, которые сделают все, чтобы батарея не перегревалась.
Как работают литий-полимерные аккумуляторы
Технология литий-полимерных батарей новее, чем литий-ионных. Первые такие батареи были созданы в 70-годах прошлого века и только недавно появились в смартфонах. Например, Samsung сделал переход на литий-полимерные батарея только с выходом серии Galaxy S20. Хотя другие используют технологию чуть дольше.
В литий-полимерных батареях тоже используется положительный и отрицательный электроды, но электролит внутри них не жидкий, а твердый, пористый или гелеобразный. В итоге риск теплового истощения и утечки электролита в таких батареях намного ниже. Кроме этого, они более прочные и могут даже изгибаться до определенного уровня. Это особенно полезно для некоторых типов устройств, особенно тех, что используются в сложных условиях. Короче говоря, они немного безопаснее, но системы защиты от перегрева в них все равно используются.
Основным недостатком этой технологии является значительно более высокая стоимость производства. Жизненный цикл литий-полимерных батарей короче, а еще они накапливают меньше энергии, чем литий-ионные батареи с таким же физическим размером.
Надо, чтобы аккумуляторы были заряжены. Разряженными им быть вредно.
Какой аккумулятор лучше
Оба типа аккумуляторов имеют свои плюсы и минусы. Литий-ионные аккумуляторы предлагают самые высокие емкости по самым низким ценам. Удобно, если вы хотите недорогой телефон, который работает от батареи больше одного дня. Недостатками Li-ion является постепенный саморазряд. Для ежедневного гаджета это не имеет большого значения, но при длительном хранении это надо учитывать. А еще они опаснее своих более новых собратьев.
Для сравнения, литий-полимерные батареи безопаснее, что особенно важно в наши дни в условиях развития сверхбыстрой зарядки. Эти батареи также имеют очень низкий уровень саморазряда, поэтому они почти не разряжаются, если вы их не используете — отличный вариант для гаджетов, которые используются не часто. Однако все эти плюсы приводят к более высокой стоимости, более короткому сроку службы и меньшей емкости при том же размере. Хотя литий-полимерные аккумуляторы более легкие и пусть на единицу объема вы получите меньшую емкость, зато она будет больше на единицу веса.
В целом, литий-полимерные аккумуляторы заменяют литий-ионные в индустрии смартфонов благодаря своей превосходной безопасности, универсальности форм-фактора и весовым характеристикам в устройствах высшего и среднего уровня. Хотя более доступные модели, скорее всего, будут придерживаться технологии литий-ионных аккумуляторов еще долгое время.
Вопросы о выборе аккумулятора
В Сети, в нашем Telegram-чате и в статистике поиска можно найти следующие частые вопросы, на которые я сейчас и дам ответ.
Безопасен ли литий-ионный аккумулятор
Неисправности и случайные повреждения литий-ионных аккумуляторов встречаются очень редко. Поэтому такую технологию можно считать очень безопасной. Даже на фоне еще большей безопасности литий-полимерных батарей она все равно очень и очень высокая, а случаи, о которых пишут в прессе, случаются один раз на десятки миллионов устройств. Так что можно не переживать. Особенно, если вы избегаете сильной жары и повреждения корпуса аккумулятора.
Берегите батарею и она вас не подведет.
Безопасны ли литий-полимерные батареи
В первую очередь безопасность литий-полимерных батарей достигается за счет отсутствия внутри жидкого электролита. Поэтому такой аккумулятор более устойчив к температурам и механическому воздействию. В итоге — да, он безопасен. Он даже более безопасен, чем литий-ионный аккумулятор.
Можно ли утилизировать литий-ионные аккумуляторы
Не только можно, но и нужно утилизировать любые аккумуляторы. Это чертовски вредная штука, которая даже в одиночку может нанести сильный вред окружающей среде. Сейчас батареи принимают в очень большом количестве мест, включая торговые центры, офисные здания и супермаркеты. Сдав туда батареи или сломанный телефон, вы без преувеличения сделаете большой вклад в экологию.
Гибкие и растягивающиеся аккумуляторы изменят мир смартфонов
Можно ли утилизировать литий-полимерные батареи?
Сказанное про литий-ионные батареи относится и к литий-полимерным. Их тоже обязательно надо утилизировать. Это важно и правильно. Не стоит думать, что одна батарейка ничего не решит. В ней слишком много вредной химии, которая попадет в почву, а это и овощи, которые вы едите, и вода, которую вы пьете. Лучше переработать.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Мифы о мобильных телефонах стали появляться еще до того, как они получили широкое распространение. Наверняка вы слышали о том, что носить телефон в кармане вредно, говорить по мобильному долго нельзя, иначе можно навредить своему здоровью и тому подобное. С тех пор как мобильные телефоны «поумнели» и превратились в смартфоны, мифов об их вреде и об использовании стало еще больше. Один из последних связан с тем, что, якобы, вышки сотовой связи с антеннами 5G распространяют коронавирус. Давайте посмотрим на самые популярные и выясним, насколько это правдиво и можно ли в это верить?
Google Pixel 6 еще не был полностью представлен, но на фоне трендов последнего времени для него уже решили не включать в комплект зарядное устройство. Google подтвердила эту информацию и действительно не будет включать адаптеры для зарядки в комплекты Pixel 6 и Pixel 6 Pro. Не все остались довольны этой новостью, о чем свидетельствуют многочисленные опросы, проводимые нами и нашими коллегами из других изданий. До недавнего времени адаптер для зарядки был единственным гарантированным аксессуаром, который в ходил в комплект поставки телефона. Теперь же времена меняются и производители начали повторять друг за другом это непопулярное действие. Но стоит ли из-за этого расстраиваться?
Эволюция аккумуляторов: ну когда же мы забудем про розетки?
Первый мобильный телефон, который можно было носить с собой, а не возить на машине, был представлен компанией Motorola в 1983 году. Аппарат весил почти килограмм, и умел только совершать звонки. Нынешние смартфоны — полноценные карманные компьютеры, и «телефонные» функции в них постепенно утрачивают актуальность. Прогресс в этой области очевиден, но мало кто задумывается, что не меньший эволюционный путь проделали и батареи мобильных устройств.
О единицах измерения
Прежде всего стоит пояснить используемые в статье единицы измерения. Большинство из нас привыкло измерять энергию мобильных батарей в ампер-часах (Ач). Это значит, что аккумулятор ёмкостью в 1 Ач или 1000 мАч сможет обеспечить питание с силой тока в 1 ампер в течение часа. Однако такая единица измерения не учитывает другой важный параметр — напряжение, которое в зависимости от модели аккумулятора может быть разным. Поэтому, для сравнения аккумуляторов правильнее использовать ватт-часы (Втч): батарея ёмкостью в 1 Втч (1 А*В*ч) сможет выдавать мощность в 1 ватт в течение часа.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы
Motorola DynaTAC, несмотря на свою мобильность, был слишком большим и тяжёлым, чтобы носить его в кармане. Телефоны линейки Motorola MicroTAC 1989 года в карман уже помещались. Первые модели MicroTAC были оснащены никель-кадмиевыми аккумуляторами, которые могли обеспечить устройствам до 90 минут работы в режиме разговора.
Катод в никель-кадмиевых аккумуляторах выполняется из никельсодержащих соединений с добавлением графитового порошка, анод — из кадмийсодержащих соединений, а электролит — из смеси гидроксидов калия и лития.
Никель-кадмиевые батареи имеют ряд достоинств: большой ток заряда (и, как следствие, небольшое время полной зарядки), большой ресурс (несколько тысяч циклов), возможность работы в широком диапазоне температур, а также им не страшен глубокий разряд. Однако они имеют сравнительно небольшую удельную ёмкость (ёмкость на единицу массы) — 45-65 Втч/кг и высокий саморазряд, около 10% ёмкости в месяц. Кроме того, такой тип батарей подвержен эффекту памяти: при зарядке не до конца разряженного аккумулятора его напряжение снижается, что интерпретируется большинством контроллеров заряда, как потеря ёмкости. Эти недостатки привели к тому, что вскоре производители телефонов перешли на более совершенный тип аккумуляторов.
Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы
В аккумуляторах такого типа катод сделан из оксида никеля, анод — из гидридов различных металлов (обычно никеля и лантана, или никеля и лития), а электролит — из гидроксида калия.
Смартфоны с Ni-MH аккумуляторами продолжали выпускаться вплоть до конца XX века. К тому времени время автономной работы устройств выросло, но всё равно не слишком впечатляло. Выпущенный в 1999 году Siemens C25 имел аккумулятор ёмкостью 2,34 Втч и мог проработать около 5 часов в режиме разговора, в то время как легендарная Nokia 3310, появившаяся в 2000 году, несмотря на большую батарею ёмкостью 3,24 Втч, могла продержаться всего около 3-4 часов.
Впрочем, Nokia 3310 выпускалась с Ni-MH аккумуляторами сравнительно недолго: новые ревизии этой модели поставлялись уже с литий-ионными батареями.
Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы были впервые выпущены компанией Sony в 1991 году. Благодаря своим сбалансированным качествам они остаются самым популярным типом батарей в мобильных устройствах по сей день.
В качестве анода и катода в литий-ионных аккумуляторов применяются алюминиевая и медная фольга соответственно, покрытые различными материалами. Переносчиками заряда выступают ионы лития. В первых литий-ионных аккумуляторах в качестве материала анода использовался литий, который при частом заряде-разряде приводил к росту губкообразных структур из этого металла — дендритов. Это могло привести к замыканию электродов, что вызывало взрывы и возгорания. Проблему удалось решить путём применения вместо лития графита. Что касается материала катода, то сейчас в батареях для портативной техники в качестве него применяются соединения лития, марганца и кислорода, а также кобальтат лития.
Одним из первых телефонов, использовавших литий-ионные аккумуляторы, был Motorola MicroTAC 8700, в котором батарейки такого типа предлагались в качестве дополнительной опции вместо стандартных никель-металл-гидридных. Читая эту статью, можно подумать, что кроме Motorola других производителей телефонов в то время не существовало, и это недалеко от истины: компания была лидером рынка и, вполне естественно, одной из первых внедряла новые технологии. MicroTAC 8700 был выпущен в 1996 году и в режиме разговора мог проработать около 3,5 часов. Типичная ёмкость аккумуляторов того времени составляла 700-800 мАч, а их удельная ёмкость была всего около 100 Втч/кг.
Начиная с 2001 года использование литий-ионных аккумуляторов становится массовым, а другие типы отходят на второй план. Время автономной работы устройств с литий-ионными аккумуляторами было уже заметно более долгим: Ericsson T68 с батареей на 3,42 Втч мог проработать в режиме разговора до 11 часов, а Motorola RAZR V3 с аккумулятором на 2,52 Втч — до 7 часов.
Уже тогда стали появляться телефоны, «заточенные» под длительную автономную работу. Модель Philips [email protected] из линейки Xenium, существующей и поныне, имела батарейку ёмкостью 3,1 Втч. Время работы в режиме разговора было типичным для того времени — около 7,5 часов, но в режиме ожидания телефон мог продержаться до месяца. Для сравнения, Ericsson T68 «жил» всего 12 дней.
Примерно в это же время стали распространяться КПК на операционных системах PalmOS и Pocket PC (которая впоследствии была переименована в Windows Mobile). Первым КПК компании Palm со встроенным аккумулятором стал Palm V с литий-ионной батареей ёмкостью 2,4 Втч. По отзывам пользователей того времени, заряжать гаджет требовалось всего раз в 5 дней при достаточно активном использовании. В продажу гаджет вышел в 1999 году.
Сравнительно большой срок автономной работы был обусловлен использованием в устройствах монохромных экранов и достаточно слабой по современным меркам начинки. К примеру, КПК Tungsten T3, который появился в 2003 году, имел уже довольно мощный процессор и цветной дисплей, и его аккумулятора ёмкостью 3,7 Втч хватало лишь на 3,5 часа сёрфинга при использовании Bluetooth-подключения к телефону.
Этот недостаток был исправлен в выпущенном в 2004 году Tungsten T5, ёмкость батареи которого составляла уже 5 Втч, а автономная работа при непрерывном использовании — около 5 часов. Но и этого было явно недостаточно, из-за чего многие владельцы таких устройств пользовались программами для понижения частоты процессора, которые позволяли на несколько часов продлить время их работы.
Немногим лучше обстояли дела у КПК под управлением мобильной ОС от Microsoft, например, Compaq iPAQ 3760 на Pocket PC 2002. Аппарат появился в 2001 году и, хотя имел аккумулятор всего на 3,5 Втч, мог проработать при непрерывном использовании до 7 часов.
Одним из первых коммуникаторов на платформе Microsoft стал Qtek 1020, также известный как HTC Wallaby. Устройство было выпущено в 2002 году и работало под управлением Pocket PC 2002, а ёмкость его аккумулятора составляла 5,55 Втч. В режиме разговора аппарат работал сравнительно немного — 3,5 часа, но это была плата за широкие функции карманного компьютера.
Одним из наиболее популярных коммуникаторов своё время стал выпускаемый под множеством брендов HTC Universal с физической QWERTY-клавиатурой. Он получил батарею на 6 Втч, которая позволяла аппарату работать в режиме разговора до 8 часов. Аппарат был выпущен в 2005 году и работал на ОС Windows Mobile 5.0.
Что касается коммуникаторов на PalmOS (к тому времени уже пятой версии), то типичный представитель этого семейства, выпущенный в 2006 году Palm Treo 700p, имел батарею на 6,66 Втч. В режиме разговора этот гаджет мог проработать около 4,5 часов.
Коммуникаторами раньше называли и устройства на незаслуженно забытой сегодня платформе Symbian OS. Выпущенная в 2006 году Nokia N73 на Symbian OS 9.1 имела аккумулятор ёмкостью 4 Втч и в режиме разговора работала до 6 часов.
Упомянем и ныне почти забытый класс UMPC — компактных компьютеров (диагональ экрана 5-7 дюймов) под управлением настольных операционных систем. Яркий пример — Sony Vaio VGN-UX91 под управлением Windows Vista. Гаджет имел аккумулятор на 19,24 Втч и мог проработать автономно около 3,5 часов. Для сравнения, в современных ультрабуках ёмкость батарей может составлять 54 Втч и выше.
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют удельную ёмкость до 240 Втч/кг, срок службы около 600 циклов и имеют минимальный саморазряд — около 3% в месяц. Впрочем, хранить такие батареи следует заряженными не более, чем наполовину, иначе это приведёт к сокращению их срока службы. В настоящее время в смартфонах используются литий-ионные аккумуляторы ёмкостью до 12,2 Втч и выше. Например, Samsung Galaxy S6 с аккумулятором на 9,4 Втч способен проработать в режиме разговора около 17 часов.
Современную историю смартфонов можно отсчитывать с 2007 года, когда появился Apple iPhone, ставший первым массовым телефоном с ёмкостным экраном. Он имел литий-полимерный аккумулятор ёмкостью 5,18 Втч и работал в режиме разговора до 8 часов.
Чтобы достичь текущих 17-20 часов автономной работы в режиме разговора, потребовалось около 7 лет. К примеру, iPhone 4 с батарейкой на 5,3 Втч мог проработать при таком использовании уже 14 часов в сетях 2G и 7 часов в сетях 3G. Чуть большее время работы имел его ближайший конкурент, Samsung Galaxy S с аккумулятором на 5,55 Втч — 15,5 часов в сетях 2G и 7,5 часов в сетях 3G.
Несмотря на то, что автономность смартфонов (по крайней мере, в режиме разговора) постоянно увеличивалась, то для планшетов планка в 10 часов работы при практически любом режиме использования была задана компанией Apple ещё при выпуске первой модели iPad. С тех пор, большинство качественных планшетов крупных компаний имеют примерно одинаковую автономность.
Несмотря на впечатляющее время работы в режиме разговора, при смешанном использовании современные смартфоны редко живут больше одного-двух дней. Из-за этого некоторые производители выпускают устройства с аккумуляторами огромной по меркам этого класса устройств ёмкости. Один из примеров — Philips Xenium V526 с батареей на 18,5 Втч, который может работать до 47 дней в режиме ожидания или до 28 часов разговоров. Смартфон был выпущен в 2015 году и работает на Android 5.1.
Долгое время считалось, что литий-ионные аккумуляторы не подвержены эффекту памяти, но в 2013 учёные обнаружили, что он всё же может наблюдаться при большом количестве частых циклов неполного разряда и заряда. Причина кроется в захвате части ионов лития на поверхности катода, которые мешают другим ионам переносить заряд внутри батареи. Кроме того, литий-ионным аккумуляторам противопоказан глубокий разряд, который может полностью вывести батарею из строя.
Литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы
По своей конструкции литий-полимерные аккумуляторы похожи на литий-ионные, но в качестве электролита в них используются полимерные материалы, способные проводить ионы лития. Преимуществом такой конструкции стала возможность делать аккумуляторы любой формы, включая гибкие, отсутствие эффекта памяти, а также немного более высокая удельная ёмкость.
Штатные недостатки литий-ионных аккумуляторов характерны и для литий-полимерных — сравнительно небольшой срок службы и нетерпимость к глубокому разряду.
Достоверно неизвестно, в каком смартфоне и телефоне был впервые использован литий-полимерный аккумулятор, но одной из первых компаний, применившей в массовом смартфоне аккумулятор нестандартной формы стала LG. Южнокорейскому производителю удалось уместить в сравнительно небольшой корпус смартфона LG G2 батарею ёмкостью 11,4 Втч.
Но если рынок смартфонов литий-полимерные аккумуляторы всё ещё продолжают завоёвывать, то среди таких устройств, как квадрокоптеры, они, фактически, стали стандартом благодаря высокой удёльной ёмкости. К примеру, популярный коптер DJI Phantom 3 имеет съёмную батарею ёмкостью 68 Втч, которая обеспечивает ему около 23 минут полёта.
Технологии заряда
Со временем развивались не только аккумуляторы, но и технологии их заряда. Раньше аккумуляторы не были приспособлены для заряда большими токами, поэтому в большинстве зарядных устройств использовалось напряжение 5 вольт и сила тока в 0,5 ампер. За последние несколько лет эти параметры постепенно увеличивались, и главная заслуга в продвижении быстрой зарядки принадлежит, пожалуй, компании Qualcomm. Её технология Quick Charge 3.0 использует напряжение до 20 В и силу тока до 3 А (эти параметры могут изменяться в процессе заряда для достижения лучших результатов и сохранения срока службы батареи). Мощность зарядных устройств с поддержкой Quick Charge 3.0 составляет 18 ватт, что позволяет полностью зарядить типичный аккумулятор для смартфона менее, чем за час. В то время как эта технология только готовится появиться на рынке в 2016 году, Quick Charge 2.0 уже успешно применяется в таких смартфонах, как LG G4, Samsung Galaxy S6 и Note 5, HTC One M9, Sony Xperia Z5 и YotaPhone 2.
Помимо быстрой зарядки, сравнительно недавно появились и технологии беспроводной зарядки. Один из самых распространённых стандартов сегодня — Qi. Его работа основана на передаче энергии на небольшое расстояние (до четырёх сантиметров) между двумя катушками посредством электромагнитной индукции. Помимо передачи энергии стандарт предусматривает обмен информацией между мобильным устройством и базовой станцией — для определения наилучших параметров зарядки и положения гаджета относительно базовой станции. Беспроводная зарядка тоже может быть быстрой: если первые Qi-совместимые устройства получали от базовой станции силу тока 400-600 мА, то теперь она может быть более 1000 мА. Подобная технология используется в последних смартфонах Samsung, и может полностью зарядить смартфон менее чем за два часа.
Будущее аккумуляторов
Несмотря на то, что за 30 лет аккумуляторы мобильных устройств серьёзно улучшились, ещё многое предстоит совершенствовать. В настоящее время ведутся исследования сразу по нескольким направлениям: увеличению скорости заряда, срока службы и удельной ёмкости.
Одна из наиболее перспективных разработок — алюминий-ионный (Al-Ion) аккумулятор, предложенный учёными Стэнфордского университета. В качестве катода в таких батареях будет использован графит, а в качестве анода — алюминий. Два ключевых преимущества нового типа аккумуляторов — большой ресурс (не менее 7500 циклов без потери ёмкости) и возможность заряда очень высокими токами, что в теории позволит заряжать гаджеты за несколько секунд.
Другой тип аккумуляторов, работоспособность которых уже подтверждена научными исследованиями — литий-воздушные. Принцип работы таких батарей заключается в выделении энергии в процессе окисления лития кислородом, который берётся из обычного воздуха. Литий-воздушные батареи имеют огромную удельную ёмкость — более 500 Втч/кг, но первые образцы не работали более 10 циклов. Дело в том, что при разряде аккумулятора кроме основного продукта реакции — оксида лития, который восстанавливается до кислорода и металлического лития в процессе заряда — образовывался и побочный продукт, карбид лития. Причиной этого было применение графитового анода, подобно литий-ионным батареям. Пару лет назад проблему удалось решить, заменив графит на карбид титана: теперь литий-воздушные аккумуляторы могут проработать 100 циклов, потеряв всего около 2% изначальной ёмкости. Сейчас учёные продолжают вести работу над увеличением срока службы и рабочего диапазона температур для таких батарей.
Наверное, не стоит ждать, что в следующем году или даже через год случится революция в мире аккумуляторов, но вот чего ожидать точно стоит — постепенного улучшения их параметров, а, значит, и увеличения времени работы наших гаджетов.