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].
АКБ в телефоне или смартфоне: что это такое, особенности
Всем мобильным девайсам (смартфонам, планшетам, телефонам-звонилкам) и любым другим устройствам, которые способны работать не от сети, необходима электроэнергия.
Электроэнергия для работы накапливается в аккумуляторной батарее (сокращённо – акб). Посмотрим, что такое акб в телефоне.
Что было раньше
Самые первые аккумуляторные батареи были никель-кадмиевые (Ni-Cd) или никель-марганцевые (Ni-Mh) и небольших ёмкостей, до 500 мАч.
Аккумуляторы часто выходили из строя, могли вздуваться, течь и даже взрываться, если батарея старая или при зарядке было дано сильно повышенное напряжение.
Такие аккумуляторы были установлены во многих кнопочных моноблоках и раскладушках.
Помните, некоторые акб в телефонах даже состояли из нескольких, собранных в один блок, круглых батареек?
Этот тип аккумуляторных батареек для телефонов обладал эффектом памяти.
Эффект памяти заключался в том, что в момент перезагрузки аккумулятор мог показать свой, личный, непонятный никому, процент оставшегося заряда.
Бывало и так, что телефон нужно ставить на зарядку, перезагружаешь его, а батарейка показывает больше половины заряда.
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи постепенно, с каждым циклом зарядки-разрядки, теряли свою ёмкость из-за потери ионов, хранящих заряд.
Что теперь
Современные аккумуляторы лишены всех вышеперечисленных недостатков. Они не взрываются, редко вздуваются, не теряют со временем ёмкость, не имеют плохого эффекта памяти.
Единственная проблема – это малая ёмкость батарей для современных смартфонов. Например, для смартфона-двухсимочника, с 3G, GPS и экраном в 5 дюймов, батарейки в 1500 мАч хватит максимум на рабочий день.
Немногие производители производят линейки смартфонов, в которых упор сделан на большую ёмкость аккумулятора.
Многие форумы пестрят холиваром о том, нужен ли цикл зарядок-разрядок, чтобы привести батарейку в чувство и использовать её на максимальную мощность.
Наверное, нужно. Всегда при покупке новой батареи или смартфона есть смысл делать 4-5 полных циклов зарядки-разрядки. Так спокойнее!
Что в будущем
Посмотрите форумы, научные статьи. Уже есть пробные научные разработки по производству экологически чистых батарей из сахара, ревеня и из радиактивных металлов.
Что будет дальше – остаётся только предполагать.
Что же такое акб в девайсе? Это накопитель энергии для сёрфинга в Интернете, чтения книжек, просмотра фильмов и других задач.
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
Заметили, что в последнее время как-то мало стали говорить о сетях пятого поколения? Сначала их все ждали, потом испугались и начали сжигать вышки, а теперь кажется, что вообще забыли о них. Кажется, что последний активностью были попытки производителей телефонов включать ”5G” в название всех моделей, где он есть. При том неважно, что не было версий без него. Главное было показать всему миру, что компания на острие прогресса. Можно было бы предположить, что разговоры стихли только в России, где таких сетей пока нет, но интерес упал во всем мире. Это хорошо видно, если просматривать иностранные ленты новостей, что я делаю почти ежедневно. До сих пор не согласны с тем, что интерес к 5G упал? Тогда давайте читать дальше.
Рынок средств связи иногда просто непредсказуем и не поддается какому-то прогнозированию. Примером может служить ситуация, которая и произошла сейчас. В то время, когда смартфоны становятся все лучше, а в средний и бюджетные сегменты приходят технологии от флагманов, казалось бы, что именно смартфоны должны показывать рост продаж, а кнопочные ”трубки”, основная задача которых заключается только в том, чтобы позвонить, постепенно должны вообще перестать существовать как класс. Но все получилось с точностью наоборот. Именно кнопочные телефоны показали серьезный рост. Что же случилось в мире, что ситуация повернулась этим боком? Давайте разбираться. Может нам тоже пора купить какую-нибудь Nokia или Samsung с кнопками и маленьким экранчиком 320 на 320 точек?
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.