toomth (toomth) wrote,
toomth
toomth

Эволюция аккумуляторов: ну когда же мы забудем про розетки ?

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.

В отличие от никель-кадмиевых батарей, никель-металлгидридные аккумуляторы меньше подвержены эффекту памяти (он проявляется только в случае заряда частично разряженного аккумулятора, не использовавшегося несколько дней) и имеют бо́льшую удельную ёмкость — 60-72 Втч/кг (при одинаковых габаритах ёмкость примерно на 20% выше по сравнению с никель-кадмиевыми). Кроме того, в отличие от Ni-Cd, Ni-MH батареи экологически безопасны. Но у них есть и недостатки, главный из которых — ещё более высокий саморазряд, около 10% в первые сутки, а затем 0,5% каждый следующий день. Срок службы таких батарей составляет примерно 200-500 циклов, а диапазон рабочих температур сравнительно узкий: при -20°С батареи теряют до 30% ёмкости. Большинство этих недостатков удалось преодолеть только в 2005 году, когда стали выпускаться никель-металгидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD Ni-MH). Несмотря на это, как и никель-кадмиевые, никель-металлгидридные аккумуляторы остаются подвержены эффекту памяти. Первые Ni-MH аккумуляторы, использованные в телефонах Motorola MicroTAC на замену Ni-Cd, имели ёмкость около 7,2 Втч и могли обеспечить телефонам около 2 часов автономной работы в режиме разговора.

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 это 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 использованием 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 9@9 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 производительности 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.


Subscribe
promo toomth august 29, 2015 19:00 183
Buy for 100 tokens
Несмотря на дикие пробки на трассе Керчь-Симферополь, я таки выдвинулся сначала в райцентр Ленино, а потом и в город-спутник Щелкино, а уже оттуда попёрся на АЭС. В дикую жару, километров через 5 я понял что зря не взял такси... Пришлось намотать километров 20. В следующий раз возьму транспорт.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments