Из чего состоит аккумулятор телефона. Устройство аккумулятора телефона: причины взрывов и принципы работы

Как устроен аккумулятор смартфона. Из каких компонентов состоит литий-ионная батарея. Почему некоторые аккумуляторы взрываются. Как продлить срок службы батареи телефона. Каковы перспективы развития технологий аккумуляторов.

Из чего состоит аккумулятор современного смартфона

Аккумулятор смартфона представляет собой сложное устройство, состоящее из нескольких ключевых компонентов:

• Анод — отрицательный электрод
• Катод — положительный электрод
• Электролит — проводящая среда между электродами
• Сепаратор — разделитель между анодом и катодом
• Корпус — защитная оболочка
• Контроллер — управляющая электроника

Рассмотрим подробнее устройство и назначение каждого элемента.

Анод и катод — основа аккумулятора

Анод и катод являются ключевыми компонентами любого аккумулятора. Между ними происходит движение ионов, обеспечивающее выработку электрического тока.

В литий-ионных аккумуляторах анод обычно изготавливается из графита, а катод — из оксидов металлов (кобальта, никеля, марганца). На поверхности электродов находятся активные материалы, способные к обратимому внедрению ионов лития.

Электролит — проводник для ионов

Электролит заполняет пространство между электродами и обеспечивает перемещение ионов лития. Обычно это раствор солей лития в органических растворителях. Электролит должен хорошо проводить ионы, но при этом быть электрически изолирующим.

Сепаратор — разделитель электродов

Сепаратор представляет собой тонкую пористую пленку, разделяющую анод и катод. Он пропускает ионы, но предотвращает прямой контакт электродов и короткое замыкание. При перегреве сепаратор плавится, блокируя поры и останавливая химическую реакцию.

Корпус — защитная оболочка

Корпус аккумулятора выполняется из прочных и термостойких материалов. Он защищает внутренние компоненты от механических повреждений и герметизирует конструкцию.

Контроллер — электронный «мозг» батареи

Современные аккумуляторы оснащаются электронными схемами управления. Контроллер следит за напряжением, током, температурой и другими параметрами, обеспечивая безопасную и эффективную работу батареи.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

Работа литий-ионного аккумулятора основана на обратимом перемещении ионов лития между электродами:

1. При зарядке ионы лития движутся от катода к аноду через электролит
2. При разрядке ионы лития перемещаются обратно от анода к катоду
3. Движение ионов сопровождается направленным потоком электронов во внешней цепи
4. Этот поток электронов и обеспечивает электрический ток, питающий устройство

Такой принцип позволяет многократно заряжать и разряжать аккумулятор. Однако со временем его емкость постепенно снижается из-за необратимых процессов на электродах.

Почему некоторые аккумуляторы взрываются

Взрывы и возгорания аккумуляторов происходят крайне редко, но могут иметь серьезные последствия. Каковы основные причины таких инцидентов.

Перегрев аккумулятора

Перегрев является одной из главных причин взрывов аккумуляторов. При температуре выше 80°C может начаться неконтролируемая химическая реакция, называемая «тепловым разгоном»:

• Растет внутреннее сопротивление батареи
• Увеличивается выделение тепла
• Ускоряются химические процессы
• Давление внутри корпуса резко возрастает
• Происходит разрушение корпуса и выброс горючего электролита

Механические повреждения

Сильные удары, проколы, деформации корпуса могут привести к внутреннему короткому замыканию электродов. Это вызывает мгновенный разряд большого тока и нагрев.

Производственный брак

Дефекты при изготовлении (например, попадание металлических частиц в электролит) могут стать причиной внутренних коротких замыканий и перегрева батареи.

Неправильная эксплуатация

Использование несертифицированных зарядных устройств, чрезмерный заряд или разряд, воздействие экстремальных температур повышают риск взрыва аккумулятора.

Как продлить срок службы аккумулятора смартфона

Несколько простых правил помогут сохранить емкость батареи вашего смартфона на долгое время:

• Не допускайте полной разрядки аккумулятора
• Избегайте частых циклов заряда-разряда до 100%
• Оптимальный уровень заряда для хранения — 40-60%
• Не оставляйте телефон надолго на зарядке после достижения 100%
• Не подвергайте устройство воздействию высоких температур
• Используйте только оригинальные зарядные устройства

Соблюдение этих рекомендаций позволит максимально долго сохранить емкость аккумулятора близкой к первоначальной.

Перспективные технологии аккумуляторов

Ученые и инженеры постоянно работают над созданием более совершенных источников питания. Какие технологии могут прийти на смену литий-ионным аккумуляторам в будущем.

Твердотельные аккумуляторы

Твердотельные батареи используют твердый электролит вместо жидкого. Это позволяет:

• Повысить плотность энергии
• Увеличить скорость зарядки
• Улучшить безопасность
• Расширить диапазон рабочих температур

Ожидается, что первые коммерческие образцы появятся в ближайшие 5-10 лет.

Литий-серные аккумуляторы

Замена традиционного катода на серосодержащий позволяет значительно увеличить емкость батареи. Основные преимущества Li-S аккумуляторов:

• Высокая удельная емкость
• Низкая стоимость материалов
• Широкий температурный диапазон

Однако пока не решены проблемы с долговечностью таких батарей.

Графеновые суперконденсаторы

Использование графена в качестве электродов позволяет создать накопители энергии, сочетающие высокую мощность конденсаторов с большой емкостью аккумуляторов. Их преимущества:

• Сверхбыстрая зарядка (секунды)
• Огромное количество циклов заряда-разряда
• Высокая удельная мощность

Пока такие устройства существуют лишь в виде прототипов.

Заключение

Аккумуляторы современных смартфонов представляют собой сложные высокотехнологичные устройства. Несмотря на редкие случаи взрывов, они обеспечивают достаточно безопасное и эффективное питание мобильных гаджетов. Соблюдение правил эксплуатации позволяет максимально продлить срок их службы.

В ближайшие годы ожидается появление новых типов аккумуляторов с улучшенными характеристиками. Это позволит значительно увеличить автономность мобильных устройств и расширить сферы их применения.

почему они взрываются? — android.mobile-review.com

11 октября 2016

Константин Иванов

По материалам androidcentral.com

Кажется, от разговоров про взрывающиеся батареи телефонов уже некуда деться, спасибо Samsung и их Note 7. Однако это не первый и не единственный аппарат с подобной проблемой. Почему вообще взрываются батареи? Давайте поговорим подробнее…

Пока мы используем литий-ионные аккумуляторы, единичные случаи с батареями будут происходить. Note 7 – не первый телефон, для которого потребовался масштабный отзыв по причине, связанной с батареей. Например, подобное могут вспомнить давние фанаты Nokia. Но тогда аккумуляторы были съемными, и финской компании не пришлось убирать модели с рынка. Такое случается, ничего хорошего в этом нет, но оно случается. Давайте разберемся, почему.

Как работает аккумулятор в вашем телефоне

Первое, что мы рассмотрим, это то, как работает литий-ионный аккумулятор в вашем аппарате. Суть заключена в самом названии: электричество доставляется от одного электрода к другому посредством заряженных ионов лития.

Литий-ионные аккумуляторы хранят, передают и высвобождают энергию за счет электрохимических процессов. В аккумуляторе два электрода, анод и катод. Катод содержит положительно заряженные ионы, а анод – отрицательно заряженные ионы. Между двумя электродами находится электролит. В литиевой батарее это обычно натуральная паста-растворитель с большим содержанием солей металлов (в большинстве случаев лития) в составе. Это обеспечивает электрическую проводимость. В электролите находятся анод и катод, которые разделены и не соприкасаются.

Когда вы разряжаете батарею (используете телефон и не заряжаете ее), положительные ионы покидают анод, а отрицательно заряженный катод их притягивает. Электрический ток исходит из анода, идет через ваше устройство и возвращается к катоду. Да-да, оно описывает круг, а не «тратится» заряженным устройством. Когда вы заряжаете свой телефон, происходит обратный процесс: ионы движутся от катода к аноду через электролит.

Когда эти ионы вступают в контакт с заряженными атомами на электроде, происходит окислительно-восстановительная электрохимическая реакция, она высвобождает заряженные электроны, которые проходят через контакты батареи, соединенные с электродами. За счет этого ионы лития в электролите продолжают заряжаться до тех пор, пока их не оказывается недостаточно, чтобы удерживать достаточно сильный положительный заряд, позволяющий двигаться сквозь электролит, и с этого момента аккумулятор перестает заряжаться.

Литий – самый легкий металл, третий номер в периодической таблице. Также он легко вступает в реакцию, что позволяет очень легко эту реакцию вызвать. Таким образом, это практически идеальный металл для использования в портативной многоразовой батарее. Она мало весит, легко перезаряжается и долгое время способна держать заряд.

Что заставляет аккумуляторы взрываться?

Для начала давайте определимся, что в данном случае понимать как взрыв. Электролитная паста внутри литий-ионного аккумулятора очень летуча. Она может легко среагировать с другими металлами и имеет очень низкую температуру плавления (180 градусов Цельсия). Внутри герметичного корпуса батареи может расти давление вплоть до нарушения целостности корпуса, а затем быстро вырываться наружу. Давление выталкивает очень горячий электролит, который может вызвать возгорание. Некоторые литиевые батареи оснащены вентиляционным отверстием, поэтому они не разрушатся от давления. Когда разрушается корпус аккумулятора и перегретая жидкость, содержащая расплавленные металлы, вырывается наружу под давлением, это вызывает взрыв.

Есть два способа заставить взорваться литиевый аккумулятор – перегрев и физическое повреждение. Рассмотрим оба этих способа.

Перегрев и перезаряд

Вот наиболее частая причина проблем с батареей. В процессе зарядки что-то нарушается, и поступающее напряжение продолжает поддерживать химическую реакцию. Один участок батареи становится слишком горячим, а поскольку зарядка продолжается, он не может охладиться, и происходит то, что называется тепловым разгоном аккумулятора.

В этом случае горячий участок начинает вырабатывать собственное тепло, которое перегревает электролит по соседству, а он, в свою очередь, перегревает другие части батареи. Тепло распространяется электролитом и образует пар, поднимая давление до тех пор, пока не трескается корпус батареи, давая выход накопившемуся давлению и горячей, липкой и очень горючей при контакте с воздухом жидкости.

Когда такое происходит, это может причинить физический ущерб всему, что находится близко – это платы и стекло или пластик. Эти материалы тоже могут возгораться от нагревания, что, в свою очередь, воспламеняет потекший электролит, делая его чем-то вроде напалма, который прилипает и прожигает поверхность насквозь или сгорает сам.

Процесс теплового разгона может происходить очень быстро, и ситуация из разряда нормы может перейти к катастрофической внутри батареи даже раньше, чем тепло передастся от аппарата вашей руке. К счастью, сотни миллионов литиевых аккумуляторов, производимых ежегодно, имеют крайне малый (статистически почти не значимый) процент отказов из-за теплового разгона, частично благодаря мерам безопасности (наподобие негорючих добавок в составе электролита и покрытий).

Когда ваш телефон становится слишком горячим и сообщает, что не может заряжаться или работать на полную мощность, ему требуется охлаждение, чтобы не произошло теплового разгона. Послушайтесь маленького всплывшего сообщения и дайте устройству остыть.

Механические повреждения

Литиевые батареи специально разрабатывались легкми, высокопроизводительными и легко заряжающимися. А это значит, что внешняя оболочка и сепарация, разделяющая электроды, очень тонкие и легкие. Большая часть веса приходится на компоненты, которые непосредственно участвуют в процессе зарядки телефона.

В силу того, что перегородки и корпус батареи тонкие, их легко порвать или пробить. Если батарея повреждена так, что это позволяет соприкасаться электродам, может произойти короткое замыкание. Мгновенный электрический разряд взрывоопасен, и он может нагреть электролит и создать давление, которое вырвется через любое повреждение в корпусе аккумулятора. Горячо, огнеопасно, происходит контакт с искрой – вот вам и рецепт катастрофы.

Тонкий корпус, как ни странно это звучит, это тоже мера предосторожности. Чем тоньше металл, тем проще его повредить, за счет этого не образуется такого большого давления, получается этакое вентиляционное отверстие. Плохо, когда наружу вырывается горячая огнеопасная жидкость, но еще хуже, когда нарастает давление внутри более толстого корпуса, пока наконец не разрушает его.

Другие металлы в контакте с электролитной пастой также могут вызвать искру, которая приведет к взрыву. Можете сами поискать на YouTube ролики, в которых очень умные товарищи пробивают аккумуляторы телефонов, чтобы те взорвались. Реакцией на контакт с инородным металлом будет короткое замыкание, но в меньшем масштабе.

А что же там с Note 7?

Только Samsung доподлинно известно, почему взрываются батареи в Galaxy Note 7. Компания разослала в своем британском подразделении короткое послание, в котором нет особого смысла. Фраза «the anode-to-cathode came into contact» звучит так, будто описывается короткое замыкание, но в такой формулировке это ничего не означает. Но будучи диванным экспертом, который своими глазами никогда не видел взрывающийся или уже взорвавшийся Galaxy Note 7, можно сказать, что наиболее вероятна как раз ситуация с замыканием анода на катод.

Поскольку люди сообщают о взрывах батарей Note 7, не находящихся на зарядке, и значительная часть телефонов, которые мы видим на фото, не сгорели, можно предполагать, что тепловой разгон тут не виноват, несмотря на то, что Health Canada точно утверждает, что единичный случай в Канаде произошел от перегрева.

Тепловой разгон – не такое «мгновенное» событие, как короткое замыкание, и нагретому электролиту требуется больше времени, чтобы вырваться из батареи с пламенем, чем вырваться из ее корпуса со взрывом. Сгорит больше, чем часть телефона, а также другие предметы в непосредственной близости. Также тепловой взрыв заставит аккумулятор распухнуть, прежде чем нарушится целостность его гибкого корпуса, и не имея дальнейшего пространства для расширения, разбухшая батарея сломает крышку самого телефона. Видео на YouTube демонстрируют, как это происходит, вот хороший, хоть и старый пример того, как кто-то нарушает меры предосторожности, чтобы это произошло. Некто, кому, наверное, сказали, что телефон раздуется, прежде чем взорваться.

Вряд ли можно предполагать, что какие-то инородные тела или попавшие на производстве частички контактируют с электролитом. Это популярная гипотеза, но если в партии аппаратов (мы не знаем, какого размера партия) окажутся мелкие частички в электролите, мы увидим гораздо больше взрывающихся Galaxy Note 7.

Более вероятным кажется замыкание внутри батареи или в зарядной цепи вкупе с электролитом, имеющим негорючие добавки. Быстрый взрыв, который высвобождает небольшое давление и жидкость одновременно, может исчерпать себя, если с аппаратом ничто не контактирует. Если же произойдет контакт с чем-то горючим, например, с тем же сиденьем джипа, может произойти пожар.

Конечно, может иметь место масса факторов, о которых мы не знаем. Процесс производства литий-ионных батарей для телефонов предполагает их высокую безопасность. Но много что может пойти не так.

Предварительный отчет Samsung корейским регуляторам называл причиной ошибку в производстве, из-за которой платы внутри аккумулятора контактировали друг с другом, вызывая «чрезмерно высокую температуру». В отчете говорилось, что требуется более тщательный анализ, чтобы выяснить точную причину.

Предварительные выводы указывают на ошибку в производстве, из-за которой платы в ячейках аккумулятора оказываются под давлением. В свою очередь это заставляет вступать в контакт положительный и отрицательный полюса, вызывая чрезмерное повышение температуры. Тем не менее, Samsung акцентирует внимание на необходимости более тщательного анализа ситуации, чтобы определить «точную причину» повреждения аккумулятора.

Что мы знаем о Galaxy Note 7 и его аккумуляторе

Мы понятия не имеем, что происходит с Galaxy Note 7, не знает этого и никто вне компании Samsung. Но мы можем сформулировать обоснованное предположение, опираясь на те малые знания, что у нас есть. Galaxy Note 7 признан компанией Samsung проблемным аппаратом, его производство свернуто, и мы должны прекратить его использовать и вернуть. Собственно, для того, чтобы избавиться от потенциального источника опасности, нам не надо знать, почему именно аппараты взрываются. Как поступить, дело ваше, как, впрочем, и то, как отнестись к ситуации в целом. Мы лишь постарались приоткрыть завесу над технической стороной вопроса.

Что внутри аккумулятора телефона (литий-ионной батареи

При недавнем добавлении новых разделов сайта нашего интернет-магазина Neovolt.ru, посвящённых замене элементов питания на нашем производственном предприятии, появилась идея сделать простые схемы устройства аккумуляторов для иллюстрирования материалов.

Несложная с виду идея вылилась в многочасовую проверку возможных изобретений новых вариантов конструкций, в перелопачивание тонны публикаций на BatteryUniversity, в общение с экспертами и инженерами на Quora и в Reddit по материалам в сепараторах и проводниках, чтобы ничего не упустить из внимания.

Получился огромный материал, который в дальнейшем пришлось сократить, иначе можно книгу написать. Результатом делимся с вами.

→ О принципах выбора ёмкости, определения ремонтопригодности, формы и размеров аккумулятора смартфона — в исследовании Карстена Шишке.

Батареи литий-ионного или литий-полимерного типа работают с помощью химических реакций, которые «отправляют» электроны и ионы с одного электрода на другой. Вот, как всё выглядит, когда наш инженер разбирает внешнюю часть корпуса аккумулятора, например, Samsung Galaxy S9 или любого другого смартфона после извлечения из устройства.

Устройство аккумулятора телефона/смартфона:

(1) Соединительный элемент подключает аккумулятор к системной плате смартфона (в несъёмной конструкции) или к контактам на внешнем корпусе батареи (в съёмной конструкции).

• • Он может быть в виде многожильного провода (как на схеме) или в виде шлейфа.
• • Шлейф имеет гибкую (как у iPhone 6) или формованную (как у Galaxy S8 Plus) основу.
• • У соединительного кабеля чаще всего есть коннектор с несколькими контактами (от двух до пяти).
• • В редких старых или бюджетных смартфонах соединение с системной платой выполняется не через разъём, а методом пайки (у нас есть пример такого соединения в инструкции разборки iPod Touch 6).

(2) — Плата системы управления аккумулятором (Battery Management System, BMS). На неё устанавливается логика работы батареи и предохранитель.

→ Узнайте, как устроена BMS-плата и все подробности по её функциональной роли в телефоне.

(3) и (4) — Положительный и отрицательные выводы питания для работы в электрической цепи.

(5) и (7) — Электродные материалы размещаются на тонкой металлической основе, напоминающей фольгу. Она собирает электроны и передаёт их из батареи к устройству.

Электроды не способны хранить много энергии в ограниченной зоне.

Поэтому нужны длинные скрутки таких полос, чтобы аккумулятор смог обеспечить смартфон необходимой энергией. Их количество и размеры влияют на конечную ёмкость и габариты батареи. Кстати, мы уже рассказывали, по какому принципу производители выбирают и проектируют аккумулятор в процессе разработки очередного смартфона.

(6) и (8) — Сепаратор препятствует электрической проводимости между электродными материалами (катодом и анодом) в пределах тока, который должен проходить через сепаратор в процессе движения ионов от катода к аноду (во время заряда) и обратно (во время разряда).

С превышением температуры (выше 130°C) материал плавится и закрывает поры во избежания дальнейшей катализации химической реакции и взрыва аккумулятора.

В большинстве смартфонов сепаратор однослойный из полиэтиленового материала, пропитанного электролитом.

Хотя последнее время в применение вошли сепараторы трёхслойной «гамбургерной» конструкции для более надёжной работы аккумулятора в условиях повышенной нагрузки:

• • Полипропилен (стойкость +155°C)
• • Полиэтилен (стойкость +130°C)
• • Полипропилен (стойкость +155°C)

(9) — Корпус аккумулятора представляет собой термостойкий материал с достаточной прочностью, чтобы выдерживать небольшие физические воздействия (например, от стягивания внутренних комплектующих смартфона).

В съёмной конструкции размещается в ударостойкую оболочку с контактной площадкой.

Это нужно для удобного и, главное, безопасного хранения вне мобильного устройства (из-за чего превышает габариты несъёмного аккумулятора аналогичных технических характеристик). Может иметь разные виды материалов, выбор которых зависит от производителя.

Научно-популярные статьи

Вы помогаете наполнять базу знаний Neovolt без ошибок и упущений. Пишите в комментарии предложения, свои взгляды и замечания — мы их читаем все без исключения. Или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.

Теги: База знаний Li-Ion Li-Poly Телефоны Смартфоны Планшеты Ноутбуки Технологии

Заряженный выпуск: как работают аккумуляторы телефонов и почему некоторые взрываются | Смартфоны

Срок службы батареи — это взрывоопасная проблема. Буквально, как Samsung обнаруживает к своему ужасу. Смартфон Galaxy Note 7 компании после выпуска получил высокую оценку за лучшее в своем классе время автономной работы, намного опережая своего основного конкурента, iPhone 6S и 7 Plus. Затем он начал взрываться. Samsung выпустила программу отзыва и замены, и количество замен также начало резко увеличиваться, что вынудило компанию полностью приостановить производство.

Это дело знаменует собой последнее препятствие в долгой борьбе за улучшение батарей, питающих нашу электронику. В то время как скорость обработки данных удваивается примерно каждые 18 месяцев, для увеличения емкости батареи требуется почти десятилетие. Этот пробел начинает вызывать проблемы, но, как показала компания Samsung, его нелегко исправить.

Смартфон часто работает меньше суток, ноутбук иногда всего несколько часов, а электромобиль с трудом проезжает 350 миль. Так почему же время автономной работы до сих пор является такой проблемой — и когда мы собираемся это исправить?

Что такое батарея?

Внутри этого пластикового и металлического корпуса находится небольшая коробочка с химическими веществами, готовыми к реакции и созданию электричества. Фотография: BitchBuzz/Flickr

Батарейки — это небольшие контейнеры с химической энергией. Когда смартфон подключен к сети, электричество используется для сброса химической реакции внутри батареи, перенося электроны с отрицательного анода на катод — положительный конец батареи.

После зарядки батарея может вырабатывать электричество, направляя электроны через цепь, в данном случае через смартфон, к аноду, и будет продолжать это делать до тех пор, пока все электроны, содержащиеся в батарее, не перейдут на анод или встроенную -in выключатель отключает аккумулятор.

Из чего сделан аккумулятор?

Внутри типичной батареи есть анод, катод и электролит — то, через что проходят положительные ионы.

Литий-ионные аккумуляторы, используемые в большинстве смартфонов и электронных устройств, имеют катод из оксида металла, изготовленный из смеси кобальта, никеля, марганца или железа, пористый графитовый анод, удерживающий внутри себя ионы лития, и электролит на основе соли лития.

Положительно заряженные ионы лития проходят через электролит от анода к катоду, направляя электроны через смартфон по мере необходимости обратно к аноду.

Почему этого недостаточно?

Символ низкого заряда батареи на Nokia Lumia 800 в кармане джинсов. Фотография: Мартин Абегглен/Flickr

Принцип работы батареи может быть простым, но химия и технология, обеспечивающие ее работу, не являются таковыми. Основным ограничивающим фактором для батарей является их плотность энергии.

Аккумулятор может генерировать столько электричества, сколько его химические компоненты могут хранить энергию. Все, что не является активным материалом внутри батареи, фактически является мертвым грузом, включая корпус, микросхемы контроллера, провода для отвода тока — все они добавляют вес, но не мощность.

Типичная литий-ионная батарея в смартфоне имеет плотность энергии около 150 ватт-часов на килограмм (Втч/кг). Хотя плотность энергии литий-ионных аккумуляторов улучшилась с момента их появления в начале 1990-х годов, это сдерживается их конструкцией и химическим составом.

Единственный способ немедленно увеличить срок службы батареи смартфона с помощью современных технологий — это повысить энергоэффективность электронных компонентов смартфона и увеличить размер батареи, но все тоньше и тоньше смартфоны требуют все более тонких аккумуляторов.

Почему срок службы батареи уменьшается?

Полностью заряжен или нет? Со временем аккумулятор не может хранить столько энергии, сколько был новым. Фотография: Bastian Greshake/Flickr

Срок службы батареи не остается постоянным на протяжении всего срока службы смартфона — он медленно уменьшается с течением времени по мере разрядки и перезарядки батареи.

Это связано с тем, что химическая реакция, в результате которой вырабатывается электричество, заставляет тонкие слои лития откладываться на электродах, что снижает количество доступного для выработки электричества и увеличивает внутреннее сопротивление батареи.

Чем выше сопротивление, тем тяжелее батарея должна работать, чтобы поддерживать полезное напряжение, и поэтому количество энергии, которое она может производить за один заряд, уменьшается. Возможно, вы помните этот фрагмент из школы:

Напряжение = Ток x Сопротивление (V=IR)

Почему некоторые батареи взрываются?

Аккумулятор вырывается из корпуса аккумулятора 17-дюймового MacBook Pro из-за вздутия. Фотография: J Aaron Farr/Flickr

Батареи с гораздо более высокой плотностью энергии, чем элементы на основе лития, уже доступны, но они недостаточно безопасны для использования в портативной электронике.

«Чем больше энергии вы вложите в коробку, тем опаснее она будет», — говорит доктор Билли Ву, преподаватель Школы проектирования Дайсона Имперского колледжа Лондона. «Безопасность является абсолютно ключевым фактором, а управление температурным режимом имеет решающее значение. Если батарея нагревается выше 80°C, вы сталкиваетесь с так называемым тепловым разгоном, когда компоненты начинают разлагаться, и тогда она может взорваться».

Конкретная причина проблем Samsung со взрывающимися батареями неизвестна, компания просто ссылается на «проблему с аккумулятором».

Что будет дальше?

На данный момент мы застряли с перезаряжаемой литий-ионной батареей. Фотография: Razor512/Flickr

В ближайшее время прогресс в области аккумуляторов будет достигнут за счет приближения существующих литий-ионных технологий к их теоретическим пределам, что повысит удельную мощность аккумуляторов.

Типичная литий-ионная батарея, в которой используется оксид лития-марганца, имеет теоретическую плотность мощности 280 Втч/кг, но конечный продукт имеет только 150 Втч/кг, поэтому, безусловно, есть возможности для улучшения.

«Речь идет об оптимизации структуры батареи, — говорит Ву. «Если представить, что внутри вашей батареи есть пористая структура, заполненная активным материалом».

«Для более высокой выходной мощности вам нужна более пористая структура, чтобы увеличить площадь поверхности и пропускать больше ионов лития в любой момент времени, но поскольку в ней больше отверстий, она удерживает меньше активного материала, что, в свою очередь, снижает емкость. ”

Новые передовые химические составы аккумуляторов, такие как литий-сера и литий-кремний, также находятся в стадии разработки, и компании Великобритании в настоящее время разрабатывают эту технологию.

Каково будущее технологии аккумуляторов?

Комбинированное фото показывает, как Samsung Note 7 взрывается, когда к его полностью заряженному аккумулятору оказывается давление во время испытаний в аккумуляторной лаборатории Applied Energy Hub в Сингапуре, 6 октября. Фотография: Edgar Su/Reuters

Твердотельные батареи — это одно из возможных будущих, когда жидкий электролит в батарее заменен твердым веществом, что обеспечит значительное повышение безопасности.

«Основное преимущество твердотельных аккумуляторов заключается в том, что вы можете вернуться к использованию лития в качестве материала анода, который имеет действительно хорошую мощность и плотность энергии, но небезопасен с жидкими электролитами», — объясняет Ву.

Твердотельные батареи устранят необходимость в пористом угольном аноде и, следовательно, уменьшат вес батареи, который не способствует выработке энергии.

Воздушно-металлические батареи, использующие цинк, литий или алюминий, также находятся на горизонте, но, по словам Ву, до коммерческого применения осталось 20 лет.

Что я могу сделать, чтобы моя батарея работала дольше?

Знакомое зрелище для всех, у кого есть смартфон, планшет или компьютер. Фотография: Сэмюэл Гиббс/The Guardian

Есть несколько вещей, которые вы можете сделать, чтобы продлить срок службы батареи. Природа химической реакции внутри батареи означает, что она должна работать интенсивнее на последних 20% разряда и выше 80% заряда.

Поддержание литий-ионного аккумулятора примерно на уровне от 80% до 20% заряда поможет ему дольше сохранять большую часть своей емкости. В настоящее время разрабатываются интеллектуальные системы управления питанием, которые делают именно это при подключении к стене на ночь.

Батареи нельзя оставлять включенными постоянно, что особенно важно для ноутбуков. Они содержатся в лучшем рабочем состоянии, если их время от времени разряжать и перезаряжать. Раз в месяц надо делать.

• Является ли алюминий ответом на все наши молитвы об аккумуляторе?
  
• Кризис Samsung Galaxy Note 7 усугубляется сообщениями о приостановке производства

Аккумуляторы для мобильных устройств: все, что вам нужно знать

Аккумуляторы в ваших мобильных устройствах — это чудо химической инженерии, содержащее огромное количество энергии, которое может поддерживать работу ваших устройств в течение нескольких часов. Как они работают и как извлечь из них максимальную пользу?

В большинстве современных мобильных устройств используются литий-ионные (иногда называемые литий-ионными) аккумуляторы, которые состоят из двух основных частей: пары электродов и электролита между ними. Материалы, из которых сделаны эти электроды, различаются (это может быть литий, графит или даже нанопровода), но все они основаны на химическом составе лития. Это реактивный металл, а это означает, что он имеет тенденцию сочетаться с другими элементами. Чистый литий настолько реактивен, что может загореться в воздухе, поэтому в большинстве батарей используется более безопасная форма, называемая оксидом лития-кобальта. Между двумя электродами находится электролит, который обычно представляет собой жидкий органический растворитель, позволяющий электронам течь между ними. Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, молекулы оксида лития-кобальта захватывают и удерживают электроны, которые затем высвобождаются, когда аккумулятор используется, например, когда он работает с вашим мобильным телефоном.

Ник Медиати Ионно-литиевые батареи питают почти все мобильные устройства.

Литий-ионный аккумулятор является наиболее распространенной формой батареи, потому что он может хранить наибольшее количество энергии в наименьшем пространстве. Это измеряется с точки зрения удельной плотности энергии, которая относится к тому, сколько энергии в ватт-часах может удерживать килограмм батареи. Для ионно-литиевых аккумуляторов эта цифра может составлять от 150 до 250 Втч/кг, в то время как никель-металлогидридная (или NiMH) батарея может содержать около 100 Втч/кг. Другими словами, ионно-литиевые батареи меньше и легче, чем другие типы, а это означает, что устройства меньшего размера имеют более длительный срок службы батареи.

Это то, что химики называют реакцией теплового разгона, а все остальные называют пожаром.

Вся эта химия означает одно: батарея вашего устройства накапливает энергию, и химические вещества внутри стремятся высвобождать эту энергию любым возможным способом. И это может быть проблемой, поскольку компания Boeing недавно обнаружила возгорание батарей на лайнере 787 Dreamliner, когда самолет стоял на стоянке.

Это один из недостатков ионно-литиевых аккумуляторов: если батареи разряжаются слишком сильно, химия разрушается и создается избыток оксида лития, который воспламеняется, образуя больше оксида лития, и так далее. Это то, что химики называют реакцией теплового разгона, а все остальные называют пожаром, поэтому FAA заземлило Боинг 787. Поскольку то же самое может произойти, если вы проткнете батарею, TSA рекомендует авиапассажирам тщательно упаковывать батареи в свой багаж. — в багаже, а не в зарегистрированном багаже.

Емкость аккумулятора

Емкость батареи измеряется в миллиампер-часах (или мАч), что указывает на то, сколько энергии батарея может отдать с течением времени. Например, если батарея имеет номинал 1000 мАч, она может обеспечить мощность 1000 миллиампер в течение 1 часа. Если ваше устройство потребляет 500 мА, заряда батареи должно хватить примерно на 2 часа.

С осторожностью относитесь к заявлениям о сроке службы батареи.

Однако время автономной работы устройства немного сложнее, поскольку количество потребляемой устройством энергии меняется в зависимости от того, что оно делает. Если экран устройства включен, радио работает на передачу, а процессор усиленно работает, он будет потреблять больше энергии, чем если бы экран был выключен, а радио и процессор простаивали.

Вот почему вы должны с осторожностью относиться к заявлениям о времени автономной работы — производитель может продлить срок службы батареи, уменьшив яркость экрана или выключив некоторые части устройства. Если вам интересно, вы можете использовать приложение, которое отслеживает энергопотребление и состояние батареи вашего мобильного устройства, например, Battery Monitor Widget для Android или Battery Life Pro для устройств iOS.

Управление потоком энергии

На этой диаграмме показан поток энергии, поступающий в Samsung Galaxy Note во время зарядки.

Из-за склонности к возгоранию литий-ионные батареи требуют тщательного контроля. Производители аккумуляторов достигают этого, встраивая контроллер заряда, который управляет потоком электроэнергии. По сути, каждая батарея имеет внутри небольшой компьютер, который предотвращает ее слишком быструю разрядку или до опасно низкого уровня. Этот компонент также регулирует подачу энергии в аккумулятор во время зарядки, замедляя поток энергии по мере того, как аккумулятор приближается к полной зарядке, чтобы предотвратить перезарядку.

Чтобы показать, как работает этот процесс, мы зарядили Samsung Galaxy Note и измерили поток энергии, поступающий в устройство, по сравнению с заявленным процентом заряда аккумулятора. Как вы можете видеть на графике выше, поток энергии в аккумулятор самый высокий, когда аккумулятор сначала заряжается, а затем снижается. Последние несколько порций заряда занимают много времени, так как контроллер замедляет поток энергии до минимума, чтобы батарея не заряжалась слишком сильно.

Сила будущего

Технологии аккумуляторов постоянно совершенствуются: лаборатории по всему миру ищут новые аккумуляторные технологии для замены лития, а также новые подходы к созданию ионно-литиевых аккумуляторов. Среди новых технологий много работы ушло на суперконденсаторы, в которых батарея накапливает энергию электрически, а затем высвобождает ее, как фотовспышка. Суперконденсаторы могут обеспечить гораздо более быструю зарядку, так как при этом происходят небольшие химические изменения, но современные суперконденсаторы могут обеспечивать питание только короткими импульсами, что противоположно тому, что нужно большинству мобильных устройств. Топливные элементы, использующие водород для выработки электроэнергии, также скоро появятся.