Анатомия мобильного аккумулятора
Тысячи мобильных гаджетов нуждаются в бесперебойных поставках энергии в свои маленькие тела. Запасать электричество в ячейках, чтоб выступать энергоносителем обязаны аккумуляторы для смартфонов и других мобильных устройств. 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 смартфона или другого устройства — 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.
