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.
Автор текста: Владимир Терехов
Источник: 4pda.ru
© 4PDA
