Как работает аккумулятор смартфона

Литий-ионный аккумулятор в телефоне

Из всех компонентов, которые присутствуют в смартфоне, больше всего слухов и разных мнений существует вокруг аккумулятора. Кто-то говорит, что обязательно нужно регулярно заряжать и разряжать батарею в ноль, кто-то опасается ставить батарею на зарядку на всю ночь.

В этой статье я расскажу, как именно работает аккумулятор в современных смартфонах, откуда там появляется ток, почему происходит потеря емкости со временем, как лучше заряжать/разряжать ваш гаджет и почему батарея может взорваться.

Электроны, протоны, нейтроны

Начнем с теории, как это устроено. Большинство людей представляет схему работы аккумулятора в виде сосуда, в который заливается ток, а потом в течение дня мы начинаем его расходовать для питания смартфона или другого электронного прибора. Заряд закончился, аккумулятор сел, и нужно заполнить сосуд заново.

Зарядка аккумулятора

Но на деле батарея больше похожа на песочные часы, только наполнены они не песком, а электронами. И когда в верхней части электроны заканчиваются, то зарядка как бы переворачивает часы и пересыпает электроны из нижней части обратно в верхнюю.

Только в классических часах песок перемещается под действием силы тяжести, а чтобы понять, почему электроны переходят из одной части часов в другую, вспомним вообще, что такое электроны.

Окружающий мир состоит из атомов, атомы состоят из электронов и ядра, а ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны образуют электронные оболочки атомов с отрицательным зарядом, протоны имеют положительный заряд, а нейтроны нейтрально заряжены.

Электроны, протоны, нейтроны
Электроны, протоны, нейтроны

Если количество электронов и протонов одинаковое, то атом считается нейтральным. В атоме может быть больше электронов или протонов, тогда атом будет обладать отрицательным (Анион) или положительным (катион) зарядом.

Анион и катион
Анион и катион

Отрицательные и положительные заряды всегда притягиваются друг другу, а одинаковые заряды отталкиваются. И атомы всегда стремятся стать нейтральными.

Если мы возьмем наши песочные часы и разделим их: в одной части разместим отрицательные электроны, а в другой части положительные ионы (где мало электронов), а потом соединим проводом две части часов, то электроны побегут соединяться с ионами создадут тем самым электрический ток.

В нашей ситуации этим “проводом” будут являться компоненты смартфона, такие как плата, экран камеры и прочее. А “песочными часами” выступает сам аккумулятор с плюсом и минусом.

Внутренности смартфона

Когда все электроны перешли от минуса к плюсу, и атомы стали нейтральны, наш аккумулятор собственно и разрядился. А чтобы зарядить его опять, нам требуется повторить весь процесс в обратном порядке. То есть заставить электроны вернутся обратно в одну из частей песочных часов.

Из аккумулятора электроны не расходуются окончательно, и зарядное устройство не наполняет его новыми. Мы просто разделяем все это и перемещаем обратно.

Литий-ионные аккумуляторы

В большинстве смартфонов установлены литий-ионные батареи – это самый популярный тип аккумуляторов в электронных устройствах, в том числе бытовой техники и электромобилях.

Литий-ионный аккумулятор состоит из двух частей: одна из них будет отрицательной (анод), а вторая положительной (катод).

Устройство литий-ионного аккумулятора
Устройство литий-ионного аккумулятора

В Аноде используются ионы лития, а катоды чаще всего изготавливают из кобальта. Литий, простыми словами, “очень нервный товарищ” и легко вступает в реакцию. И эту реакцию очень легко вызвать.

Он имеет один электрон на внешней оболочке и легко может его потерять, превратившись из отрицательного в положительно заряженный ион.

Как работает аккумулятор смартфона

Но как только атом лития вступает в реакцию с оксидом металла, то становится стабильным. То есть к этой стабильности он постоянно стремится, от этого собственно он такой и нервный.

Для этого используется оксид кобальта, чтобы к нему притянулись электроны литья, и сами ионы лития наконец “успокоились”.

Ионы лития

Но между анодом и катодом находится разделитель – жидкий электролит, который мешает отрицательным электронам лития напрямую попасть в положительный катод. Современные аккумуляторы используют разделитель из полимеров, пропитанных жидким электролитом, но суть работы это не меняет.

Электролит

Электролит – это что-то типа контролера, который пропускает только положительные ионы лития, а отрицательные его электроны отправляет через компоненты нашего смартфона. На схеме можно увидеть, что в аноде ионы лития размещаются между слоями графита. Сам графит не вступает в реакцию, он просто служит своеобразным “шкафом с полками”, на которых можно удобно разместить ионы.

Графит на схеме

А в катоде находится оксид кобальта, который ждет и мечтает, как бы вступить в реакцию с положительно заряженным литием.

Что происходит при разрядке и зарядке аккумулятора? Как мы выяснили,  с одной стороны у нас есть положительные атомы кобальта, которые хотят встретиться с электронами, с другой стороны у нас есть атомы лития, которые хотят отдать кобальту один свой электрон, пройти через электролит и соединиться с кобальтом, чтобы стать стабильным и спокойным товарищем.

Подключаем батарею к смартфону, и электроны отрываются от лития, проходят через цепи питания нашего устройства и попадает прямиком к положительно заряженному катоду. А в это время электролит пропускает положительно заряженный литий для связи с оксидом кобальта.

Принцип работы аккумулятора
Принцип работы аккумулятора

Ничего из нашего аккумулятора не уходит навсегда, а просто перемещается из одной части в другую. Для зарядки нам нужно вернуть все, как было. То есть с помощью внешнего адаптера питания с большим напряжением, чем в батарейке, мы вызываем химическую реакцию, и электроны отрываются от кобальта, и атомы лития тоже возвращаются в анод.

Так происходит полный цикл заряда и разряда.

Циклы батареи

Но технически понятие “циклы” введено исключительно для удобства. Все эти фишки с подсчетом циклов и емкости в настройках только для того, чтобы пользователю было проще ориентироваться в текущем состоянии батареи и ее оставшемся ресурсе.

Стандартный аккумулятор рассчитан на сохранение до 80% исходной емкости после 500 полных циклов зарядки при эксплуатации в нормальных условиях.

На самом деле, батарею убивает не производитель своими циклами, а сам процесс заряда и разряда. При любом сценарии эксплуатации рано или поздно вам потребуется заменить аккумулятор.

Как лучше заряжать

Потеря емкости происходит потому, что в путешествии через электролит не весь литий возвращается домой, часть его застревает на границе и потихоньку формирует барьер, через который рано или поздно литий не может переходить от анода к катоду и обратно.

На стороне катода тоже происходит реакция – окисление электролита. Это стать причиной вздутия аккумулятора из-за внутреннего накопления газов, вызванных окислением.

Вздутие аккумулятора

По этой причине аккумулятор постоянно держать заряженным и полностью разряженным не рекомендуется – это ускорит его деградацию и потерю емкости из-за формирования барьера между двумя частями аккумулятора.

Именно для этого в современных смартфонах есть опция Оптимизированной зарядки, когда ваш смартфон получит 80% заряда, потом понизит силу тока и будет потихонечку заряжаться до 100%.

В в любом современном смартфоне в аккумуляторе есть микросхемы, которые отвечают за заряд и разряд вашего гаджета. Они не позволят в обычном режиме эксплуатации выйти батарейки из строя раньше времени.

Контроллер заряда на аккумуляторе
Контроллер заряда на аккумуляторе

Если вы поставите ноутбук на зарядку и отключите через год, то есть очень большой шанс, что батарея будет держать уже далеко не так, как могла бы. Давайте аккумулятору работать – и все с ним будет в порядке.

Даже если вы будете заряжать его 5 раз в день от 40 до 70%, то это совершенно нормально.

Как лучше хранить

Рано или поздно батарею придется заменить, а если вам требуется какое-то время не пользоваться устройством, то рекомендуется зарядить батарею до 50%, выключить гаджет и  хранить при комнатной температуре.

В таблице ниже видна прямая зависимость от уровня заряда и температуры хранения. Чем температура ниже, тем больше емкости останется.

зависимость от уровня заряда и температуры хранения

Именно по этой причине новый телефон из коробки может показывать не 100% емкости, а например 99%. Выпускают смартфон задолго до того, как вы его купили, и некоторое химическое старение может происходить, пока устройство хранится в коробке в магазине.

Почему аккумуляторы взрываются?

В новостях периодически появляется информация о том, что смартфон на зарядке загорелся и ничего хорошего не произошло. Но технически загорается не смартфон, а именно батарея. Так в чем причина?

Есть два способа заставить взорваться литиевый аккумулятор: перегрев и физическое повреждение.

В процессе зарядки что-то может пойти не так, и поступающие напряжение продолжит 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”.

Перегрев аккумулятора
Перегрев аккумулятора

Горячий электролит нагревает все компоненты батарейки, образуется газ, который поднимает давление до тех пор, пока не трескаются корпус аккумулятора. А что происходит потом, я думаю, многие видели в интернете.

Взрыв аккумулятора

Но современные аккумуляторы имеет крайне малый процент отказов из-за теплового разгона. Производители применяют различные меры безопасности, типа негорючих добавок в электролит и так далее.

Вторая причина – это физическое повреждение изоляции батареи. Если сильно повредить корпус аккумулятора, катод с анодом сомкнутся, и может возникнуть возгорание. Во всех случаях соединения катода с анодом возникает короткое замыкание, нагрев и разложение электролита. После чего в самом лучшем случае происходит испарение этого электролита.

Не стоит пытаться самостоятельно разобрать или разрезать батарейку. Замыкание инородным предметом может привести к моментальному взрыву.

Из рекомендаций: старайтесь не ронять и не кидать смартфон, не пытайтесь его согнуть, не топите и не держите на солнце выше 50 градусов, не заряжайте китайскими блоками питания.

Все про систему Андроид
Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.