Мобильные аккумуляторы — курс молодого бойца

03.12.09 | Рубрика: Литиевые источники тока, Никелевые источники тока. Просмотры: 4 254

Статистика гласит, что современный мужчина за год бреется в среднем от 150 до 200 раз. Угадайте, что с такой же периодичностью делают и мужчины, и женщины? Нет, не то, что вы подумали – они подзаряжают мобильный телефон! Примерно раз в два-три дня мы идем «кормить мобильник», а вот уже что и как они едят – отдельный разговор.

Теоретически мобильный телефон может питаться и от обычной батареи, но с современными аппетитами телефонов могут спорить разве что фотоаппараты, поэтому для телефона необходима аккумуляторная батарея.

В переводе с латыни слово «аккумулятор» означает ни что иное, как «собиратель». Благодаря возможности превращать электрическую энергию в химическую реакцию, а затем обратно – «химию» превращать в электроэнергию, мы и получаем на выходе такой элемент питания, как аккумулятор.

Пресловутая химическая реакция ничем не примечательна — была бы возможность зарядить один электрод положительно, а другой отрицательно. Цель данной статьи – не реферат по физике, а попытка рассказать об аккумуляторах так, что бы любой прочитавший не подвергался сомнениям, домыслам и прочим страхам при приобретении и эксплуатации этих источников питания.

Для мобильных телефонов (и других портативных устройств) исторически использовали четыре типа аккумуляторов в зависимости от применяемых в них тандемах из двух химических элементов: никель-кадмиевые (NiCd & NiCad), никель-металлогидридные (NiMH, по ошибке их называют никель-магниевые), литий-ионные (LiIon), литий-полимерные (LiPol). Для обычного пользователя достаточно знать две основные технические характеристики батарей: емкость и количество циклов перезарядки.

Емкость аккумулятора – это то количество энергии, которой обладает полностью заряженный аккумулятор. Измеряется в ампер-час (Ah), то есть то время, при котором проработает аккумулятор при силе тока в 1 Ампер. В мобильных устройствах работают токи гораздо меньшей силы, с приставкой «мили» и, соответственно, емкость принято указывать в милиампер-часах (mAh). Если говорить совсем уже простыми словами, то емкость аккумулятора можно сравнить с емкостью бензобака в машине.

Если бензобак вмещает 10л горючего, то мопед смог бы проехать без дозаправки где-то порядка 200 км, а грузовик… ну, в лучшем случае, 30-50 км. С тем же самым успехом можно приводить примеры и относительно мобильных телефонов. Емкость аккумулятора обычно не соответствует номинальной (указанной) емкости, а колеблется в пределах 80-110%. Так, например, емкость в 700 mAh фактически может иметь как 560, так и 770 mAh.

Выводы достаточно просты. Дешевый аппарат на уровне «позвонить и отправить СМС» на таком объеме может продержаться неделю без подзарядки, а «монстр» с двумя SIM картами и трехдюймовым экраном, с постоянно включенным Wi-Fi и Bluetooth – сутки. Помните анекдот, где абонент жаловался оператору, что он уже привык к тому, что они воруют у него заряд батареи? В принципе, абонент прав. Не только технические характеристики могут повлиять на количество времени без подзарядки. Качество покрытия сети тоже играет немаловажную роль. Попав на местность, где очень слабый сигнал от станции, телефон начинает усиленно «привязываться» к сигналу и, соответственно, поглощать больше энергии. Совсем крайний случай наступает в поездке с включенным Интернет-соединением и проигрыванием музыки (ну чем себя еще развлечь в пути?) – постоянный поиск базовых станций, подсветка экрана и работа с наушниками «приговорит» ваш аккумулятор к весьма непродолжительной работе.

Характерной «болезнью» аккумуляторов является саморазряд. Саморазряд — вещь перманентная для всех типов батарей, и охарактеризовать ее можно количеством потерянного заряда в процентах. Известно, что в первые сутки после заряда батарея теряет количество энергии быстрее всего, и чуть медленнее — в оставшиеся время, поэтому в сравнительных анализах указывают саморазряд за сутки и за месяц. Вызвано это окислительно-восстановительными процессами, протекающими самопроизвольно, но на них напрямую влияет температура окружающей среды и при температуре в 100°С саморазряд вполне может увеличиться в два раза. Это, конечно, не причина хранить телефон в морозилке. Эффект не настолько сильный, что бы существенно повлиять на продолжительность работы батареи.

Несмотря на то, что родоначальниками производства батарей были европейцы, первенство в мировом производстве держат Япония, Китай и Южная Корея. За годы производства каждый из видов аккумуляторов успел показать, что он может. И первым был кадмий.

Никель-кадмиевые батареи, конечно, не состоят только из никеля и кадмия. Анодом здесь служит гидрат закиси никеля, а катодом – гидрат закиси кадмия, но в батарее присутствует и литий, и графит.

Для батареи такого типа характерно то, что ее приходится долго заряжать, а разряжается она быстро. Из-за того, что в таких батареях очень низкое внутреннее сопротивление, она не нагревается даже при зарядке большим током. Зато когда зарядится, то нагреется достаточно чувствительно, что бы зарядное устройство уловило это и отключило процесс зарядки. Очень веский аргумент, особенно в те времена, когда об электронных контролерах зарядки даже не слышали. Пусть и принято ругать такие батареи за неудобство в эксплуатации, но кое-какие преимущества у них все-таки есть. Например, они слабочувствительны к коротким замыканиям (плюс для любителей утопить телефон), взрыво-пожаробезопасны и не так быстро портятся при перезарядке. Такие аккумуляторы лучше перезарядить, чем недозарядить. Основной минус, помимо чувствительных габаритов, так называемый «эффект памяти».

«Эффект памяти» проявляется в потере емкости аккумулятора во время его эксплуатации. Происходит это оттого, что неразряженный полностью аккумулятор запоминает свое предыдущее состояние, и остаток неиспользованной энергии больше вам не отдает. Самое интересное, что пользователь «убивает» батарею своими руками под диктовку телефона. В электрохимической системе аккумулятора появляется еще один электрический слой — с уменьшением напряжения в 0,1В. Контролер напряжения в телефоне понимает это как разрядку и сообщает, что батарея, на его взгляд, плохая. Ведь фактически энергоемкость остается прежней и, возможно, в другом телефоне (кардинально другом) батарея обрела бы новую жизнь. Но телефон упорно доказывает, что нужно еще и еще раз зарядить, таким образом, добавляет все новые «проблемные слои». Ni-Cd необходимо полностью разряжать. Можно гарантированно потерять 50% емкости, а в худшем случае останется только 30% от номинальной емкости.

Несмотря на такой «Ой!», Ni-Cad-аккумулятор — большой труженик, он держит напряжение батареи «до последнего» и только когда энергия будет полностью исчерпана, напряжение упадет. Хотя этот эффект вам бы пригодился, в основном, при использовании кассетных музыкальных плееров и в фонариках.

В температурном режиме такие аккумуляторы могут работать в диапазоне температур от -15 до +40°С, даже заряжаться могут при отрицательной температуре. Стоят недорого и выдерживают 1000 циклов перезарядки. Такой вот – неприхотливый суровый работяга, у которого есть потомок — Ni-MH.

Тот факт, что Ni-Cd маленьким и емким не бывает, и чтобы не допустить габаритов аккумулятора размерами с сам телефон, пришлось искать ему замену. Еще один факт о токсичности самих батарей подстегнул исследователей и ученых к более плодотворной работе по поиску и разработке замены. Так на свет появился никель-металлогидридный аккумулятор.

Конструктивно вместо кадмия применили серию из сплавов металлов, которые могут поглощать водород. Тот же самый гидрооксид никеля во время зарядки превращается в оксигидрид, отдавая водород сплавам отрицательного электрода. Сплав специально подбирался таким образом, что бы при реакции соблюдался тепловой баланс. Не получилось. Металлогидридные батареи греются, хоть белье на них суши. Аккумулятор получился емкий и компактный, почти без эффекта памяти. Сначала, даже, думали, что эффекта нет как такового, но ошибались.

Честно говоря, потомок Ni-Cd получился дефектным: цикл перезарядки уменьшился до 500 раз, заряжался он дольше, а вот саморазрядка происходила в полтора два раза быстрее, чем у «прародителя».

Зато с появлением Ni-MH мы получили такое понятие как «раскачка» аккумулятора. Для того, что бы заряд и емкость набрали полную силу, такой аккумулятор необходимо было несколько раз (2-5) разрядить и зарядить «от А до Я».

Несмотря на семейство никелевых батарей, в наше время преобладают аккумуляторы на основе лития (Li-Ion и Li-Pol).

С литием все понятно – это наиболее химически активный металл. Один килограмм лития способен хранить 3 860 ампер-часов (для сравнения цинк – 260 Ач). Собственно говоря, вся проблема по созданию литиевых аккумуляторов и заключалась в том, что литий слишком активен. Температура плавления составляет 180°С и при химических реакциях, характерных при окислениях, такой аккумулятор взрывается с весьма печальными последствиями. Так, в Японии взорвавшаяся батарея в мобильном телефоне обожгла несколько человек. Поэтому неустойчивый металлический литий внедрили в графитовую оболочку или применяли оболочки из других металлов. Так же как и в свое время, Нобель додумался закоксовать нитроглицерин, тем самым, создав динамит.

То есть в Li-Ion-аккумуляторах в качестве преобразователя энергии используется не взаимодействие двух металлов (как в Ni-Cd, Ni-MH батареях), а ионы лития «завернутые» в безопасную оболочку графита или литийкобальтоксид. В таких батареях нет эффекта памяти, они очень энергоемкие и легкие, саморазряд составляет всего 2-5% от первоначального заряда, быстро заряжаются (1000 mAh за 4 часа), диапазон рабочих температур от -25 до + 60°С – все хорошо… Но, как всегда, своя «ложка дегтя» и здесь найдется. Для обеспечения безопасности и долговечности, каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Простыми словами это можно отобразить так. Велосипед это транспортное средство, самолет истребитель тоже транспортное средство, только вот для управления вторым нужно иметь высокий уровень образования, навыков и ответственности. Каждый такой «летчик» «вшит» в мобильное устройство, что не делает его дешевле, но без него никак.

Мы сравнивали Ni-Cd пакеты с работягой, а Ni-MH с его дефектным потомком. Li-Ion можно сравнить с пилотом военной авиации. Есть и у него «потомок» — Li-Pol аккумулятор.

Суть литий-полимерного аккумулятора заключается в том, что катод отделили от анода композитным материалом – полимерной перегородкой. В результате аккумулятор, при тех же объемах, не только добавил 22% емкости (корпус теперь не нужен), но и смог приобретать замысловатые формы. В целом же характеристики остались прежними.

Уход за любым аккумулятором достаточно прост: не перегревать, не переохлаждать и использовать сертифицированные зарядные устройства. И вообще читайте инструкцию по эксплуатации – она полезна для здоровья.

Любая компания-производитель мобильных устройств старается сделать зарядное устройство максимально соответствующим данному типу аккумулятора. Много времени проводится на испытания всех режимов зарядки батарей, на проверку качества материалов, из которых сделано зарядное устройство. В общем, старается как может, и оригинальное зарядное устройство стоит именно своих денег, потому что там используются качественные материалы и был применен квалифицированный труд. Тем не менее, на рынке огромное количество зарядных устройств неизвестных производителей собранных «на коленке» из мусора. Помните о том, что когда вставляете дешевый неликвид в розетку с напряжением в 220 В вы не рискуете недозаряженной батареей, вы не рискуете испорченным устройством. Вы рискуете сжечь свой дом, сгореть сами, потерять близких вам людей.

«Следи за собой, будь осторожен!» (Виктор Цой)

Источник: www.smsochka.ru