Мобильная энергия: аккумуляторы

Представить жизнь современного человека без сотовых телефонов и другой портативной электроники практически невозможно. Однако, независимо от назначения и функциональных возможностей устройства, без источника электрической энергии оно превращается в бесполезный кусок дорого пластика. В этой статье мы поговорим об эволюции аккумуляторов для портативных устройств и правильном уходе за ними.

Немного истории
Основной принцип, лежащий в основе функционирования аккумуляторов, был открыт Луиджи Гальвани в 17 веке. Данное открытие было совершено случайно, ведь целью экспериментов Гальвани было исследование реакций подопытных животных на различные внешние воздействия. Однако, именно результаты, полученные Гальвани, стали основой исследований другого крупного ученого – Алессандро Вольта, который дал этому явлению правильное теоретическое объяснение и создал первый в мире гальванический элемент, представлявший собой емкость с соляной кислотой, в которую были погружены цинковая и медная пластины. Конечно, за прошедшее время гальванические элементы прошли большой путь развития и сейчас мало похожи на своего прародителя, но принцип их работы остался неизменным.


Все гальванические элементы можно разделить на две группы – первичные и вторичные. Их принципиальным отличием является то, что вторичные элементы при определенном внешнем воздействии могут восстанавливать свои свойства. Как вы, наверняка, уже догадались, первичные гальванические элементы – это не что иное как батарейки, а вторичные – аккумуляторы. Процесс восстановления свойств вторичного гальванического элемента мы привычно называем «зарядкой».

Большой вклад в создание первых аккумуляторов внесли Лекланше, Грене, Даниэль, Грове, а также другие ученые и инженеры, но первый прототип восстанавливаемого гальванического элемента, получившего практическое применение, был создан в 1859 году французским физиком Гастоном Плантэ. В ходе своих исследований он создал аналог гальванического элемента Вольта, в котором в качестве электродов использовались свинцовые пластины, а роль электролита выполняла серная кислота. Серийный выпуск свинцово-кислотных аккумуляторов налаженный в 1890 году продолжается и в наши дни. Основной сферой применения аккумуляторов данного типа являются автомобили и другие устройства, в которых требуются большие токи, а габаритные размеры аккумулятора не играют решающей роли.


Следующим шагом совершенствования аккумуляторных батарей было изобретение в 1899 году шведом Вальдмаром Юнгнером никель-кадмиевого аккумулятора (Ni-Cd), в котором электроды были соответственно изготовлены из диоксида никеля и кадмия. Из-за дороговизны и сложности технологических процессов изготовления аккумуляторов данного типа, в те годы они распространения не получили, но их совершенствование было продолжено.

В 1947 году немецким инженером Георгом Нойманом был создан герметичный никель-кадмиевый аккумулятор, после чего они стали достаточно популярны. В наши дни основной сферой применения никель-кадмиевых аккумуляторов является различный электроинструмент, где требуются сравнительно большие токи. Однако постепенно объем использования аккумуляторов данного типа снижается из-за их опасности для окружающей среды и проблем с утилизацией.


Спустя два года после появления элемента Юнгнера, Томасом Эдисоном был создан аккумулятор аналогичной конструкции, отличающийся тем, что кадмимевый электрод был заменен на металлический. В определенной мере, аккумулятор Эдисона можно считать прародителем второго распространенного типа аккумуляторных батарей – никель-металлогидридных (Ni-MH), активная разработка которых началась в 70-е годы XX века. Однако, из-за ряда технологических трудностей, серийный выпуск аккумуляторов данного типа была налажен только в 90-е годы XX века. Основным отличием никель-металлогидридных аккумуляторов от никель-кадмиевых является то, что в них в качестве одного из электродов используется сплав металлов, поглощающих водород.


Следующим этапом эволюции аккумуляторов стало изобретение литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые на сегодняшний день чаще всего применяются в различной портативной электронике. Эксперименты одноразовыми батареями на основе лития начались еще в 1912 году, но первый литий-ионный аккумулятор был создан лишь в 1991 году. Тогда аккумуляторы данного типа широкого распространения не получили из-за их потенциальной взрывоопасности, однако эксперименты были продолжены и к середине 90-х годов литий-ионные аккумуляторы стали широко применяться в разнообразной бытовой электронике.

Также на основе лития выпускаются литий-полимерные аккумуляторы (Li-Pol), отличающиеся тем, что в них используется твердый или гелеобразный полимерный электролит. Потребительские свойства литий-полимерных аккумуляторов во многом сходны со свойствами литий-ионных, однако, благодаря использованию полимерного электролита, данные аккумуляторы могут быть произвольной формы и обладать малой толщиной, что особенно актуально при их использовании в мобильных телефонах.


Основные параметры аккумуляторов

Как и любое технически-сложное устройство, аккумуляторы характеризуются определенным набором характеристик, среди которых наиболее важными являются номинальное выходное напряжение, электрическая емкость, величина саморазряда, внутреннее сопротивление и срок службы.

Величина номинального напряжения определяется типом аккумулятора – у одного элемента Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов оно составляет 1,2 В, а у Li-ion и Li-Pol аккумуляторов – 3,6…3,7 В. Именно этот факт объясняет то, что аккумуляторная батарея телефонов, оснащавшихся Ni-MH аккумуляторами, включала в себя три (иногда 4) последовательно соединенных между собой элемента, в то время как на современных моделях аккумулятор состоит только из одного элемента. Выходное напряжение аккумулятора не постоянно – сразу после зарядки оно максимально, а в процессе разрядки постепенно снижается.

Электрическая емкость аккумулятора характеризует максимальное количество энергии, которое может запасти аккумулятор. Единицей измерения данного параметра являются ампер-часы. Для аккумуляторов малой емкости, в том числе применяемых в мобильных телефонах, емкость указывается в миллиампер-часах и обозначается мАч или mAh. Типичная емкость аккумуляторов современных мобильных телефонов составляет 600…1200 мАч. Однако, сравнивая параметры разных телефонов, следует помнить, что время автономной работы устройства определяется не только емкостью примененного в нем аккумулятора, но величиной энергопотребления самого устройства.

Еще одним важным параметром, напрямую связанным с емкостью аккумулятора, является наличие у него «эффекта памяти», причиной появления которого является то, что при неполной разрядке аккумулятор приспосабливается к своему рабочему циклу, а его емкость пропорционально снижается. Соответственно, снижается и время автономной работы устройства. Наиболее сильно данному эффекту подвержены Ni-Cd аккумуляторы, а у аккумуляторов на основе лития он практически отсутствует. Для восстановления емкости и поддержания аккумулятора «в форме» его необходимо периодически тренировать с помощью полных циклов заряд-разряд.

Величина саморазряда аккумулятора служит для характеристики скорости самопроизвольной потери аккумулятором запасенной энергии. Максимальный саморазряд наблюдается в первые сутки после зарядки аккумулятора. Для исправных Ni-Cd и Ni-MH величина саморазряда в месяц может составлять 20-30% он номинальной емкости, а для аккумуляторов на основе лития – не более 5% за первый месяц и 1-3% за последующие.

Внутреннее сопротивление аккумулятора характеризует его способность отдавать пиковые нагрузки – чем выше внутреннее сопротивление аккумулятора, тем меньше может быть его максимальный выходной ток. С практической точки зрения это обозначает то, что если внутреннее сопротивление аккумулятора значительно превышает его номинальную величину при резком росте нагрузки, например, при входящем звонке, обеспечиваемой аккумулятором энергии не хватит для продолжения работы и аппарат просто выключится.

Срок службы аккумулятора во многом определяется условиями его эксплуатации – полнотой циклов заряд/разряд и внешними условиями – температурой, влажностью и т.д., при этом литиевые аккумуляторы имеют одну особенность – они подвержены эффекту старения, заключающемуся в ухудшении характеристик аккумулятора с течением времени, независимо от того используется он или нет. Номинальная величина срока службы Ni-Cd и Ni-MH обычно составляет 500-1000 циклов заряда-разряда, а для Li-ion и Li-Pol – 2 года.
Особенности эксплуатации аккумуляторов на основе лития

В наши дни основным типом аккумуляторов, применяемых в портативной технике, стали аккумуляторы на основе лития. Главными преимуществами аккумуляторов данного типа являются большая емкость при скромных габаритных размерах, низкий уровень саморазряда и отсутствие эффекта памяти. В тоже время, литиевые аккумуляторы имеют и ряд недостатков, главными из которых являются подверженность аккумуляторов старению и «боязнь» глубокого разряда и перезаряда.

Для защиты от перезаряда и переразряда данные аккумуляторы оснащают электронной схемой, которая при определенных условиях разрывает электрическую цепь между выходным контактом аккумуляторной батареи и самим элементом. Обычно, данная схема разрывает цепь заряда аккумулятора по достижению на элементе значения 4,3 В и отключает нагрузку при разряде аккумулятора ниже 2,5…2,9 В. Также схемы защиты литиевых аккумуляторов могут обеспечивать защиту аккумулятора по температуре. В ряде моделей телефонов схема защиты может быть встроена в сам телефон, а не в аккумулятор, а у некоторых китайских поделок – вообще отсутствовать.

Наличие подобной схемы защиты объясняет одну особенность, проявляющуюся при длительном хранении устройства с разряженным аккумулятором. В выключенном состоянии любой мобильный телефон потребляет некоторое небольшое количество энергии, также определенное количество энергии потребляет схема защиты аккумулятора, а часть энергии теряется на саморазряде батареи. Думаю, вы уже догадались, что произойдет, если лежащий без дела телефон вовремя не подзарядить?

Конечно, телефон просто не включится, из-за того, что в определенный момент времени степень разряда аккумулятора превысить пороговую величину срабатывания схемы защиты и аккумулятор заблокируется. Зарядить подобный аккумулятор можно лишь с помощью универсального зарядного устройства, а чтобы обойти схему защиты придется разбирать пластиковый корпус аккумулятора (разборка самого элемента категорически не рекомендуется), что может быть связано с потерей его товарного вида. Кстати, не стоит увлекаться использованием универсальных зарядных устройств в обход схем защиты – при перезарядке аккумулятор может потерять емкость, «вздуться» (читай выйти из строя) и даже взорваться. Рекомендуемым вариантом использования универсальных «зарядников» является лишь подзарядка аккумулятора до минимального напряжения, после которого возможно использование штатного зарядного устройства.


Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы? Схематически цикл заряда аккумуляторов данного типа приведен на рисунке.


В общем случае процедура заряда литиевых аккумуляторов состоит из трех этапов:
1.Основной этап, на котором аккумулятор заряжается током, составляющим 0,4…1 от его номинальной емкости до напряжения 4,1…4,15 В. Длительность данного этапа, в зависимости от используемого зарядного устройства и емкости аккумулятора, может составлять от 1 до 2,5 часов. За время основного этапа аккумулятор набирает порядка 70% от своей рабочей емкости. Кстати, именно длительность основного этапа заряда указывается в документации на телефон, а по его окончанию телефон сообщает о завершении зарядки;
2.Доводочный этап, на котором аккумулятор добирает до своей полной емкости. Формально, данный этап является необязательным, но именно благодаря нему, аккумулятор может добирать до 30% от своей емкости, соответственно, пропорционально увеличивается время автономной работы устройства. Величина тока заряда на этом этапе постепенно снижается, а полным окончанием зарядки считается момент, когда величина зарядного тока составит 0,03 (3%) от своего начального значения. В зависимости от емкости аккумулятора и параметров зарядного устройства длительность этого этапа может составлять от 45 минут до 3-6 часов.
3.Этап компенсационного заряда. В случае если после полного окончания заряда аккумулятора телефон не был отключен от зарядного устройства, с некоторой периодичностью, производится его подзарядка небольшим током, для компенсации возникающего разряда.

Также, при использовании литиевых аккумуляторов следует помнить еще об одном моменте. С точки зрения химии, у аккумуляторов данного типа эффект памяти практически отсутствует, однако для получения максимального времени автономной работы рекомендуется периодически выполнять полные циклы заряд-разряда – полностью разряжать (от отключения телефона с сообщением «Батарея разряжена») и полностью заряжать аккумулятор с использованием штатного зарядного устройства. В зависимости от емкости аккумулятора и параметров зарядного устройства время полного заряда в среднем составляет от 4 до 8 часов.

Для свежекупленных телефонов подобная процедура является обязательной, причем выполнить ее следует не менее 3-5 раз подряд. Также периодическая тренировка полными циклами заряда-разряда полезна аккумуляторам «в возрасте». Помимо тренировки самого элемента аккумулятора подобные циклы заряда-разряда способствуют устранению «цифрового эффекта памяти» - очистки памяти микроконтроллера, управляющего зарядом аккумулятора от накопленных ошибок, а, следовательно, устройство будет более корректно показывать оставшийся уровень заряда аккумулятора. Естественно, что физическая емкость батареи от этого не возрастет.

Резюме
Из собственного опыта, основанного на наблюдении на двух десятках различных гаджетов – от ноутбуков и смартфонов до телефонов и mp3-плееров, я пришла к выводу, что для сохранения нормального значения времени автономной работы любого портативного устройства, его аккумулятор (неважно Li-ion или Ni-MH) необходимо постоянно тренировать полными циклами заряда разряда. Конечно, это не всегда получается, но обычно я стараюсь оставлять телефон подключенным к зарядному устройству не менее чем на 6-7 часов, которых с лихвой хватает для полного заряда аккумулятора устройства. Обычным временем «подкормки» моих телефонов является ночь – ведь в другое время суток «привязать» телефон к розетке на столь длительный срок практически невозможно. Однако, тут тоже есть один нюанс – оставляя телефон заряжаться ночью, не лишним рядом с зарядным устройством и телефоном расположить исправный детектор дыма. И тогда – телефон получит полноценное питание, а вы – крепкий и спокойный сон.