В телефонах, а так же различных мобильных аксессуарах используются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы. В статье описана конструкция обоих типов источников питания, а так же принцип работы.
Конструкция литий-ионного аккумулятора
Аккумулятор литий-ионного типа выполнен в герметичном корпусе. Внутри располагаются два электрода – анод и катод, разделенные пористым сепаратором, пропитанным жидким электролитом. Оба электрода соединены с индивидуальными токосъемниками и выведены наружу. Отрицательный анод изготавливается из медной фольги, а положительный катод из алюминиевой. В качестве переносчика заряда выступает ион лития.
Анод и катод в виде ленты плотно свернуты в рулон прямоугольной формы с нанесенным на обратной стороне слоем тонкого графита. Наличие сепаратора обусловлено разделением положительного и отрицательного электрода, поскольку при соприкосновении двух электродов образуется короткое замыкание, что приводит к воспламенению или взрыву батареи. А пористая структура сепаратора позволяет ионам лития свободно перемещаться с анода на катод и обратно.
Принцип работы
При зарядке батареи, ионы лития через электролит перемещаются с положительного катода на отрицательный анод. При зарядке батареи происходит обратный процесс – ион лития покидает отрицательный анод и встраивается в катодный материал. Далее электроны выходят через внешнюю цепь и распределяются контроллером для питания необходимых узлов.
Так же большинство аккумуляторов снабжаются внешними платами защиты. Печатная плата содержит контроллер питания, что ограничивает прием и отдачу энергии при достижении определенного напряжения. Защитный механизм оставляет часть энергии при полной разрядке батареи, сохраняя внутреннюю целостность и возможность дальнейшей эксплуатации аккумулятора. При заполнении энергии питание отключается до наступления разрушения батареи. Если же защитная плата отсутствует, вышеописанные действия выполняет контроллер питания устройства, где располагается аккумулятор.
Конструкция литий-полимерного аккумулятора
Конструктивно литий-полимерные аккумуляторы не многим отличаются в сравнении с литий-ионными. Основное различие в электролите, где вместо жидкого наполнителя используется сухой либо гелеобразный материал на основе полимеров. Благодаря переходу с жидкого электролита на «твердый», получилось реализовать выпуск батарей разной формы, включая тонкие варианты толщиной в 2 мм.
Принцип работы остался прежним. Ионы лития при зарядке батареи перемещаются с катода на анод, а при разрядке с анода на катод. Для удержания заряженных ионов на аноде выступает графит. А для внедрения в катод оксиды кобальта, марганца или ванадия. Ввиду дороговизны кобальта, производители чаще используют различные сплавы на основе кобальта, с целью снижения себестоимости производства.
В чем самая большая проблема литиевых батарей?
Самая большая проблема литиевых батарей – пожароопасность и быстрое старение под действием высоких температур. Поэтому все литиевые аккумуляторы можно эксплуатировать только при определенном диапазоне температур, а так же с использованием специального алгоритма зарядки.
К воспламенению и взрыву батареи приводят следующие причины:
- Разгерметизация корпуса батареи.
- Смена полярности.
- Замыкание внутри батареи.
- Перегрев.
- Высокая окружающая температура.
- Зарядка при высокой или низкой температуре.
- Перезарядка.
- Зарядка некачественными или поврежденными зарядными устройствами.
Эксплуатация всех литиевых батарей запрещена без модуля защиты. Примитивный модуль защиты состоит из одной или нескольких микросхем. Микросхема прекращает разрядку или зарядку батареи при достижении минимального или максимального значения напряжения. Поэтому модуль защиты исключает перезаряд батареи и выход из строя при глубоком разряде. Продвинутые модули защиты содержат температурные датчики. Если температура батареи превышена, тогда модуль защиты может ограничить мощность зарядки или прекратить подачу энергии до стабилизации температуры.
В процессе эксплуатации литиевый аккумулятор должен быть надежно зафиксирован внутри или снаружи корпуса мобильного устройства. В ином случае возможна разгерметизация корпуса с последующим возгоранием. Поскольку литий быстро вступает в реакцию с воздухом и воспламеняется. Нельзя допускать попадания воды, поскольку вода может вызвать короткое замыкание и взрыв батареи.
Литиевый аккумулятор не следует держать вблизи открытого огня или обогревательных приборов. Так же следует ограничить эксплуатацию и зарядку при высокой или низкой окружающей температуре. В ином случае ускоряется деградация и износ аккумулятора. В худшем случае аккумулятор может взорваться из-за перегрева.
Оптимальная эксплуатация, зарядки и разрядка литиевых аккумуляторов при комнатной температуре. Использование технологии быстрой зарядки или беспроводной зарядки приводит к нагреву батареи и ускорению деградации. Частая полная разрядка так же сокращает срок службы. А длительное хранение в полностью разряженном состоянии приводит к разрушению аккумулятора.
Отработанные литиевые аккумуляторы являются токсическими отходами. Поэтому литиевые батареи, как и другие типы батарей, нуждаются в утилизации. Кроме того литиевые аккумуляторы можно переработать для производства новых аккумуляторов и снижения загрязнения окружающей среды.
Часто задаваемые вопросы
Что лучше — Li-Ion или Li Po?
Оба типа аккумуляторов содержат определенные преимущества и недостатки. Изготовление Li-Ion батарей дешевле, поэтому Li-Ion батареи более распространены в разной электронике. Изготовление Li-Po батарей обходится дороже. При этом Li-Po батареи можно изготовить любого размера и толщины. А при повреждении корпуса батареи ниже вероятность возгорания.
Какой тип мобильного аккумулятора лучше?
Наилучший тип мобильного аккумулятора на основе лития — Li-Ion или Li Po. В сравнении с другими типами аккумуляторов, например Ni-Cd и Ni-MH, у литиевых аккумуляторов выше значение удельной энергоплотности. Так же нет эффекта памяти и низкий саморазряд.
Почему литиевые батареи используются в мобильных телефонах?
Аккумуляторы на основе лития позволяют запасать больше энергии при одинаковых размерах в сравнении с другими типами аккумуляторов. Это позволяет сконструировать компактные устройства с длительным временем автономной работы. Кроме того литиевые аккумуляторы менее требовательные к эксплуатации.
Li-Po служит дольше, чем Li-ion?
Срок службы любого типа аккумулятора оценивается циклами полной разрядки зарядки. Li-ion батареи выдерживают 500-800 циклов, а Li-Po батареи на 150-200 циклов больше. Поэтому потенциально Li-Po батареи могут прослужить дольше. При этом некоторые Li-ion батареи известных мировых брендов LG, Samsung и Panasonic могут так же выдерживать до 1000 циклов зарядки-разрядки. Кроме того для полной выработки ресурса необходимо правильно эксплуатировать батарею.
Я могу заменить Li-ion на Li-Po?
Оба типа аккумуляторов взаимозаменяемы. Основное требование для замены типа аккумулятора – физические размеры и вес.
У какого типа аккумуляторов наибольший срок службы?
Наивысшая долговечность у литий-титанатных аккумуляторов. Ресурс аккумулятора примерно 15000 циклов разряда-заряда. Кроме того аккумуляторы способны работать в широких температурных диапазонах −60 °C до +60 °C или -76 до 140 градусов по Фаренгейту. Ещё хороший срок службы демонстрируют железофосфатные аккумуляторы: LiFePO4, LiFe, LFP, IFR. Ресурс батареи примерно 1500-3000 циклов, а при бережной эксплуатации до 8000 циклов.
Почему литиевые батареи запрещены?
Литий крайне активный элемент и при контакте с воздухом легко воспламеняется. Поэтому в целях безопасности литиевые батареи запрещено переводить в самолетах и некоторых других типах наземного транспорта.
Как долго служит литий-ионный аккумулятор 5000 мАч?
На срок службы влияют условия эксплуатации. При бережном использовании батарея может проработать 5-10 лет. При этом через 5 лет бережного использования батарея может потерять до 30% емкости. При интенсивной эксплуатации и регулярном использовании быстрой зарядки батарея проработает не больше двух лет.
Все телефоны используют литий аккумулятор?
Во всех телефонах, планшетах и прочей мобильной электронике используются аккумуляторы на основе лития — Li-ion или Li-Po. Аккумуляторы на основе лития обеспечивают наиболее оптимальные значения емкости при одинаковых размерах в сравнении с другими типами батарей. Кроме того литиевые аккумуляторы гибкие в использовании и обеспечивают длительный срок службы – до 800 циклов зарядки-разрядки при использовании Li-ion и до 1000 циклов Li-Po.
Литиевые батареи взрываются?
При определенных условиях литиевые батареи могут взорваться или воспламенится. К воспламенению приводит разгерметизация и повреждение корпуса батареи. Так же батарея может взорваться при коротком замыкании, перегреве и перезарядке. Поэтому все литиевые аккумуляторы содержат встроенный модуль защиты или работают в устройствах с внешним модулем защиты.
Какой аккумулятор лучше — литиевый или цинковый?
Литиевый аккумулятор лучше цинкового. Литиевый аккумулятор вмещает больше энергии, а номинальное напряжение в 2 раза больше. Кроме того ресурс цинкового аккумулятора примерно 250-350 циклов, а у литиевого аккумулятора минимум 500-600 циклов. При этом цинковые аккумуляторы не содержат ядовитого кадмия и не воспламеняются на воздухе. При номинальном напряжении в 1.6 Вольт цинковый аккумулятор работает эффективнее NiMh аккумулятора с напряжением 1.3 Вольт.
Используют ли телефоны Samsung один и тот же аккумулятор?
Каждый аккумулятор разрабатывается с учетом габаритов корпуса телефона. Некоторые аккумуляторы совместимы с одной или несколькими другими моделями телефонов Samsung. Иногда аккумулятор подходит по размерам, при этом отличается разъемом подключения. В других случаях разъем подключения одинаковый, а длина или толщина аккумулятора не позволяет уместить батарею в корпус телефона.
Может батарея прослужить 10 лет?
При бережном использовании аккумулятора и не высокой нагрузке некоторые батареи работают до 10-15 лет. При этом 10-летний аккумулятор теряет до 50-70% изначальной емкости. Поэтому телефон с таким аккумулятором работает не стабильно или ограниченное время.
Делает Samsung свои собственные батареи?
Компания Samsung разрабатывает и производит различные типы аккумуляторов. Наиболее популярные аккумуляторы типоразмера 18650. Так же компания Samsung производит аккумуляторы для собственных телефонов и планшетов, а так же на заказ для других компаний.
Какой телефон на Android лучше по времени автономной работы?
Лучшее время автономной работы в смартфонах с батареей большой емкости и экономичной мобильной платформой. Например, Motorola Moto G60 или Lenovo K12 Pro.
За литием будущее?
Литиевые аккумуляторы пока наиболее эффективные в сравнении с другими типами батарей. Литиевые аккумуляторы позволяют вместить наибольшее количество энергии при одинаковых габаритах. Для дальнейшего наращивания плотности производители используют новые типы материалов и сплавов. При этом ученые активно ищут новые способы эффективного аккумулирования энергии. Проводят эксперименты с сочетанием различных элементов и сплавов.
Что заменит литий-ионные батареи?
Заменить литий-ионные батареи может открытие нового химического элемента или разработка определенного сплава, позволяющего вместить больше энергии. Немаловажен экономический эффект такого аккумулятора. Что бы полностью или частично заменить батареи литиевого типа новый аккумулятор должен быть эффективным и не дорогим. Часто цена изготовления аккумулятора препятствует появлению на рынке нового типа батареи.
Вывод
В статье подробно описано, из чего сделаны аккумуляторы для сотовых телефонов. Так же описан принцип работы литий-ионных и литий-полимерных батарей.
Какие у вас остались вопросы? Оставляйте сообщения в комментариях под статьей.