Мы часто ругаем современные смартфоны за малое время работы. Сейчас они живут сутки, максимум двое – а ведь 20 лет назад мобильные телефоны выдерживали до недели активного использования.
Такое сравнение несправедливо, ведь новые смартфоны гораздо более продвинутые, чем Nokia 3310, и потребляют на порядок больше энергии. Тот факт, что современные аккумуляторы обеспечивают им день-два автономной работы – результат десятилетий научных изысканий и экспериментов.
Последние разработки дают надежду на то, что будущие смартфоны предложат существенно большее время работы. Но когда это произойдет? Рассказываем, как развивались источники питания и какие инновации позволят совершить рывок в автономности смартфонов.
Устройство и принцип работы аккумулятора
Любой источник электрического тока работает схожим образом. В его основе лежат два электрода, контактирующие с электролитом – веществом, способным проводить электрический заряд благодаря большой концентрации ионов (положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы). В качестве же электролита выступают растворы щелочей, кислот или солей.
Отрицательно заряженный анод (свинец, кадмий, цинк и др. металлы) содержит восстановитель, который отдает электроны в ходе окислительной реакции. Эти электроны переходят по внешней цепи к положительно заряженному катоду (оксид свинца, марганца и другие). Там они участвуют в реакции восстановления окислителя.
При подключении к электродам нагрузки создается замкнутая электрическая цепь, через которую протекает ток разряда. Он формируется движением электронов в металлических частях и анионов с катионами в электролите.
![](https://mobile-review.com/review/image/nokia/lumia-830/pic/pic10.jpg)
Аккумуляторы в первых мобильных устройствах
Первый в мире сотовый телефон Motorola DynaTAC 8000X был выпущен в 1983 году и питался от никель-кадмиевой батареи (Ni-Cd). В ней анодом выступал гидроксид кадмия, а катодом – гидроксид никеля. В качестве электролита использовался щелочной раствор.
Время зарядки таких батарей достигало шести часов, при этом они обеспечивали всего около часа автономной работы. Также Ni-Cd аккумуляторы были подвержены эффекту памяти – уменьшению емкости в результате подзарядки не до конца разряженного источника питания. Из-за этого приходилось полностью разряжать и заряжать их. В противном случае время работы не дотягивало и до одного часа, а сам аккумулятор быстро выходил из строя.
При подключении нагрузки Ni-Cd аккумуляторы быстро нагревались. Кроме того, они были крупными и тяжелыми, что стало проблемой с уменьшением габаритов сотовых телефонов.
Устранить эти недостатки были призваны никель-металлогидридные батареи (Ni-MH). Вместо гидроксида кадмия роль анода выполняет металлогидридный сплав никель-лантан или никель-литий.
В сравнении с Ni-Cd новый тип аккумуляторов предлагал гораздо более высокую мощность и энергетическую плотность. Последний пункт позволил уменьшить габариты Ni-Mh батарей, одновременно увеличив емкость.
Такой набор характеристик делал Ni-Mh привлекательным решением для сотовых телефонов. Однако были и недостатки: такие батареи все еще сильно грелись и часто «вздувались». Также они были подвержены эффекту памяти. Тем не менее они были популярны до начала нулевых, когда на горизонте появилась новая технология.
![](https://mobile-review.com/review/image/motorola/motoaura-rev/pic/pic05.jpg)
Переход на Li-ion
Патент литий-ионного аккумулятора был зарегистрирован американским ученым Мэнли Уиттингем в 1970 году. В нем предлагалось использовать графитовый анод и катод из оксида лития. Между ними располагался пористый сепаратор, пропускающий через себя ионы лития и препятствующий контакту электродов.
В 1985 году японец Акира Йошино разработал эффективные электроды для такого рода элементов питания. Для анода использовалась подложка из медной фольги, для катода – из алюминиевой. Первый же серийный Li-ion аккумулятор был выпущен компанией Sony в 1991 году.
Переход на новую технологию значительно увеличил энергетическую плотность, а также избавил аккумуляторы от ярко выраженного эффекта памяти. Еще одним плюсом стало сокращение времени зарядки.
Первые Li-ion батареи обладали энергетической плотностью 100 Вт*ч/кг. С тех пор было множество оптимизаций технологии, экспериментов с материалами и компоновкой – и сегодня мы имеем аккумуляторы с плотностью 300 Вт*ч/кг.
Форма батарей тоже менялась, чтобы максимально эффективно использовать пространство. Так, вышедший в 2019 году iPhone 11 Pro Max получил L-образный аккумулятор емкостью 3969 мА*ч. Для сравнения, в iPhone XS Max применялась батарея из двух ячеек, суммарная емкость которых составляла всего 3174 мА*ч.
Также экспериментируют с разными материалами. Например, вместо графитового анода начали использовать кремний-кислородные, способные хранить в четыре раза больше ионов лития. Первым смартфоном с такой батареей стал Xiaomi 11 Ultra в 2021 году.
Сегодня же батареи емкостью 5000 мА*ч встречаются даже в недорогих смартфонах. Так что развитие Li-ion аккумуляторов продолжается. Например, постепенно уменьшается толщина сепаратора, а также металлических подложек анода и катода. Все это делает батарейные ячейки меньше при сохранении емкости.
С уплотнением компоновки остро встала проблема нагрева. Современные Li-ion батареи обладают эффективностью 95%. Оставшиеся 5% энергии превращаются в тепло. На первый взгляд, это немного – но при инженерных ошибках даже такой нагрев может вывести аккумулятор из строя.
Еще одной проблемой Li-ion аккумуляторов является постепенная деградация – за 2 года Li-ion батарея теряет в среднем 10% емкости, даже если не используется. Средний срок службы таких аккумуляторов составляет 5 лет, после чего их нужно утилизировать – а это весьма непросто.
Впрочем, эти параметры значительно лучше, чем у батарей 10-летней давности. Также упала цена Li-ion аккумуляторов: если в 2010 году 1 КВт*ч обходился в 1183 доллара, то сегодня он стоит всего 130 долларов. А если сравнивать с 1991 годом, то падение цены составило 97% — тогда 1 КВт*ч стоил 3000 долларов.
Что дальше
Одной из технологий, которая может увидеть свет в ближайшие годы, являются литий-серные батареи. Их конструкция схожа с литий-ионными, однако вместо графита в катоде используется сера.
По словам ученых, это открытие позволит создавать аккумуляторы с энергетической плотностью до 400-500 ватт-час на килограмм массы. Это примерно вдвое выше, чем у современных литий-ионных аккумуляторов.
Сейчас такие батареи не способны выдержать большое число перезарядок. Еще одна проблема на пути их распространения – плохая совместимость с существующими электролитами, из-за чего падает мощность и энергетическая плотность. Впрочем, уже скоро это может измениться.
В 2021 году японские ученые разработали твердый электролит для литий-серных батарей. Первые опыты показали значительное повышение энергетической плотности, однако новый материал быстро окислялся и терял свойства при каждом следующем цикле зарядки.
Исправить это помогло добавление в электролит наночастиц из атомов углерода и различных солей лития. В результате окисление замедлилось, что защитило его от дальнейшего разрушения.
Дальнейшие эксперименты привели к неожиданному открытию. Учёные из Дрексельского университета в Филадельфии случайно создали форму γ-серы, стабильную при комнатной температуре. Катод на ее основе выдержал тысячи циклов заряда-разряда без снижения производительности даже через год. Пока такие разработки находятся на ранних этапах разработки, так что вряд ли мы увидим их коммерческое воплощение
Другое перспективное направление – аккумуляторы с твердотельным электролитом. Они не только предложат высокую емкость, но и устранят одну из причин деградации Li-ion аккумуляторов – осаждение металлического лития в древообразные структуры (дендриты) от анода к катоду. Они пробивают сепаратор и могут стать причиной короткого замыкания.
Кроме того, твердотельный электролит сделает аккумуляторы устойчивыми к отрицательным температурам. Сейчас Li-ion батареи эффективно работают в довольно узком температурном диапазоне — от 0°С до +35°С.
При низкой температуре вязкость жидкого электролита резко возрастает, а транспортная способность ионов лития затрудняется. В результате аккумулятор быстро разряжается. Использование твердотельного электролита устранит такую проблему.
Сейчас производители активно работают над батареями такого типа. В марте компания Xiaomi представила свой первый твердотельный аккумулятор с рекордной энергетической плотностью 1000 Втч/л. Для сравнения, нынешние Li-ion аккумуляторы обладают ёмкостью на уровне 693 Втч/л. Возможно, новой разработке найдут применение в смартфонах уже в 2024 году.
За 40 лет аккумуляторы в телефонах прошли длинный путь от огромных ячеек, заряжающихся 6 часов и выдающих всего час работы, до тонких батарей емкостью 5000 мА*ч, восполняющих заряд за полчаса.
В будущем мы можем увидеть смартфоны, живущие до недели, а до этого придется не забывать ставить их на зарядку хотя бы раз в сутки. Впрочем, для большинства это не является проблемой, да и технологии быстрой зарядки значительно упрощают жизнь.
Интересно было бы глянуть на график энергетической плотности по годам. Будет видно прогресс. А то непонятно, 100 -> 300 произошло на начальном этапе развития и приехали, или развивается равномерно и прямолинейно.И было бы полезно привести цифры к единому измерению. В одном месте на килограмм, в другом на литр. Отчего 1000 Втч/л, на первый взгляд кажется гигантским скачком от 300 Вт*ч/кг. Но на самом деле, как я понял, это +45%. Тоже конечно немало, но уже без круглых глаз.
>В будущем мы можем увидеть смартфоны, живущие до недели, а до этого придется не забывать ставить их на зарядку хотя бы раз в сутки.Навряд ли. Производители понапихают всяких технологий (не всегда нужных) и поставят процессоры 10ГГц, что опять будет жить один день.
>В будущем мы можем увидеть смартфоны, живущие до неделиКлассическая интерполяция текущего момента, а-ля, через 10 лет улицы городов утонут в лошадином навозе. А на самом деле через 10 лет уже и никаких лошадей то в городах не было.
Бытует мнение, что уже все изобретено на 10 лет вперед. Но подается нам малыми порциями на ежегодной основе.
nokone, Многое изобретено и 20-30 лет назад, но до сих пор не идет в коммерческую эксплуатацию из-за ДОРОГОВИЗНЫ.
T-V, Не заменят.Не зря очки Google так и не пошли в коммерческое использование.Смартфон можно носить в сумке, а не в кармане. С очками такое не получится.
Виталий Ярковой, Тут скорее надо софтописателям заняться оптимизацией кода.
А что это за революция с электромобилями и батареями без никеля? Говорят, в Китае доля таких электромобилей около 50%
" а также избавил аккумуляторы от ярко выраженного эффекта памяти. " / От ярко выраженного?.. Т. е. какой-то небольшой эффект памяти все-таки присутствует? Можно об этом отдельную подробную статью?
nokone, Да. Конечно. А вы хотели чтобы вам уже в 2010 году сразу экраны водопады без рамочные предоставили? Нет. Сначала с каждым годом берите экраны на 0.3 дюйма больше, затем следующие десятилетия будем рамки постепенно уменьшать…
Lecron, Вот как же мне нравятся умные мужики…
Роман, Скорее не кода, а наполнения фичами. Код, если взять каждую фичу в отдельность, довольно оптимален. Только его системные требования не соответсвуют полезности и популярности использования данной фичи.Но эту претензию надо предъявлять не софтописателям, а их заказчикам — маркетологам и тем, кто на их бредни ведется.
Таким образом, за последние лет 15, особо ничего и не поменялось. Всё тот же литий. Который до сих пор толком утилизировать не научились. Вряд ли в ближайшее время что-то поменяется.
Константин Питерский, Нам много уважаемых людей на 4PDA, ixbt, MR, 3Dnews, Overclockers и многих прочих ресурсах обещали года 4 назад что уже скоро будут "графеновые" аккумуляторы. Ждём.
Роман, ,>> Смартфон можно носить в сумке, а не в кармане.Его большинство людей из рук-то выпускать уже боятся. Едва ли в ближайшее время зависимость снизится.Очки дадут еще большую интеграцию. А Google Glass не выстрелили только из-за нишевости позиционирования. Добавили бы сразу навигатор и выведение уведомлений с телефона и все таксисты бы уже давно их надели. Если Apple не решит запаганить идею схожим образом, а хотя бы сделает стильный внешний вид (а мы все знаем, что они умеют), то армия софтоделов-фанатов через месяц выкатят столько софта, что все запищат от того, как же раньше им без всего этого счастья жилось.
При низкой температуре вязкость жидкого электролита резко возрастает, а транспортная способность ионов лития затрудняется.- орнул с этой фразы
я просто …, а что, она неверная?
Какие пол часа?уже до 10минут
много неточностей и ошибок в статье. Прямо таки с начала и до конца лезут
Константин Питерский, Все обещали. Но что-то пошло не так.
ReadN, Это исключение.