Содержание
Одно из самых полезных электронных устройств, доступных нам, также является одним из самых распространенных. Современная батарея используется во многих наших любимых технологиях, так что вы можете даже простить, что не тратите время на изучение их работы.
Но теперь пришло время расширить базу знаний, понимая, как работает смартфон в вашем кармане.
, какие распространенные виды аккумуляторов и что вы можете сделать, чтобы продлить срок их службы
,
Краткая история батарей
Алессандро Вольта продемонстрировал первую работающую электромагнитную батарею в 1800 году. Его стопка медных и цинковых пластин, разделенных пропитанными рассолом бумажными дисками, вырабатывала постоянное напряжение в течение «разумного» времени. Это было известно как гальваническая куча и было предшественником для поколения экспериментов на батарейках.
В 1836 году Джон Фредерик Даниэль стандартизировал дизайн батареи. Медный котел, заполненный раствором сульфата меди, погруженный в неглазурованный глиняный контейнер, наполненный серной кислотой и цинковым электродом, стал стандартом де-факто для батарей, охватывающим бесчисленные электрические телеграфные сети.
Перенесемся в Оксфордский университет в 1979 году. Джон Гудено и Коити Мизусима продемонстрировали работающую перезаряжаемую ячейку с диапазоном 4 В, в которой в качестве положительного электрода использовался оксид лития и кобальта, а в качестве отрицательного — металлический литий. Предшественник литиевого элемента в том виде, в котором мы его знаем, родился — но был коммерциализирован только в 1991 году Sony и Asahi Kasei в своих портативных электронных устройствах.
Что такое современная батарея?
Мы используем термин современная батарея для описания электрохимических элементов, которые питают наши портативные технологические устройства. Аккумуляторы делятся на две общие категории:
- Одноразовое использование: одноразовые батареи с электродами, которые необратимо изменяются во время использования.
- Перезаряжаемые: многоразовые батареи с электродами, которые восстанавливаются обратным током.
В большинстве современных портативных электронных устройств используются литиевые батареи, наиболее распространенными из которых являются литий-ионные (Литий-ионный) сот. Вы также можете встретить литий-полимер (Li-Po) элемент, который имеет тот же электрохимический состав и общую химию, что и его аналог, но стоит больше в производстве и имеет более низкую плотность энергии.
Тем не менее, Li-Po аккумуляторы по-прежнему популярны благодаря своим легким, гибким конструкциям и улучшенным рабочим возможностям при повышенных и пониженных температурах, с чем может бороться Li-ion.
Литий-ионные батареи обычно содержат интеркалированное соединение лития, такое как оксид лития-кобальта (LiCoO2) в качестве одного электрода, графит для второго и органический растворитель в качестве электролита. Этот состав используется из-за его высокой плотности энергии и медленной потери заряда, когда он не используется, а также не требует циклического восстановления памяти для продления срока службы батареи
,
Все литиевые батареи будут иметь коэффициент давления и температуры. Это отказоустойчивый переключатель или датчик, предназначенный для предотвращения перегрева батареи в экстремальных условиях или чрезмерного использования, процесс, который обычно делает батарею бесполезной из-за постоянного повреждения химических соединений, которые делают возможным процесс зарядки / разрядки.
Процесс зарядки
Аккумуляторы на литиевой батарее стали предпочтительным аккумулятором из-за их высокой плотности энергии и перезаряжаемых качеств
,
В процессе зарядки ионы лития движутся через электролит от положительного электрода из оксида лития-кобальта к отрицательному графитовому электроду. При разряде или использовании ионы перемещаются обратно через электролит от отрицательного к положительному. Этот процесс происходит при относительно высоком напряжении — 3,7 В по сравнению со щелочной батареей типа АА при 1,5 В — вот почему литиевые батареи стали предпочтительным портативным источником питания для многих потребительских электронных устройств.
Литиевые батареи также входят в состав больших батарейных блоков
, например, аккумулятор ноутбука. Эти аккумуляторные батареи имеют ряд литий-ионных элементов, связанных в один более крупный компонент, и будут содержать ряд дополнительных компонентов:
- Датчик температуры: Датчик отслеживает температуру внутри упаковки, пытаясь обеспечить безопасность и долговечность ячеек.
- Регулятор напряжения: Датчик и схема для контроля и регулирования выходной мощности / емкости каждой ячейки внутри упаковки
- Состояние заряда аккумулятора: Датчик, информирующий операционную систему о текущем состоянии заряда (например, заполнен на 47%)
- соединитель: Разъем для ноутбука, зависит от бренда.
Литиевые батареи могут выполнять тысячи циклов зарядки / разрядки до того, как качество элемента начнет действительно ухудшаться, но есть несколько способов, которыми вы можете испортить свою батарею, потенциально подвергая себя опасности в процессе.
Обслуживание батареи
Положительный электрод, встречающийся в большинстве литиевых батарей, LiCoO2, может представлять опасность, если элемент поврежден. В отличие от ряда других вариантов батарей, компрометация легковоспламеняющегося соединения под давлением может привести к экстремальным результатам. Чтобы смягчить это, элементы литиевых батарей подвергаются ряду испытаний на безопасность, многие из которых являются более строгими, чем их кислотные аналоги.
Высокая температура
Было несколько случаев воспламенения литиевых батарей в условиях экстремальной жары. Батареи под воздействием тепла в сочетании с любым дополнительным, неожиданным давлением или коротким замыканием могут «взорваться», оставив разрушенную батарею
и, чаще всего, поврежденный кусок портативной техники.
Каждая литиевая батарея имеет встроенный сепаратор, содержащийся внутри элемента. Это различает положительный и отрицательный электроды во время процесса зарядки / разрядки. Если этот сепаратор становится перфорированным или поврежденным, существует вероятность контакта электродов. Это приводит к быстрому нагреву батареи, что может привести к взрыву.
Батарея имеет вентиляционный механизм, предотвращающий такое возникновение, но, в конечном счете, из-за природы удаляемого химического соединения вероятность взрывной реакции все еще остается из-за тепла, выделяемого химической реакцией.
Рейтинг разряда
Литиевые батареи предпочитают частичный разряд
вместо «глубокого» или «полного». У них нет зарядной памяти, поэтому частичная разрядка не влияет на производительность в будущем.
Однако «глубокий» разряд, то есть полное истощение батареи, приведет к падению напряжения на литиевой батарее и может привести к необратимому повреждению батареи.
Процесс старения
Литиевые батареи возрастные. Их максимальная продолжительность жизни составляет от 2 до 4 лет
в зависимости от количества циклов зарядки / разрядки. Это не значит, что вы должны следить за тем, сколько раз вы используете батарею, поскольку это будет довольно сложно. Но откладывание использования новой батареи и оставление ее на полке не продлит срок службы батареи — батарея будет работать только те же 2-4 года.
Стоит также проверить, когда батарея была изготовлена при покупке нового портативного технического продукта. Если в течение года он находился на складе без резервирования, то этот год автономной работы уже ушел. Обратитесь к производителю продукта и попросите новую батарею, где это возможно.
Существуют современные приложения для управления батареями, которые утверждают, что они способны обратить вспять текущую приемлемую деградацию ячеек, например batteryOS ‘, продукт, который будет выпущен в феврале 2015 года.
Li-Air
Следующее поколение литиевых батарей
будет демонстрировать химию лития-воздуха, что позволит получить чрезвычайно высокую плотность энергии во все более легких конструкциях. Литий-воздушные батареи получают преимущество в плотности энергии по сравнению со своими традиционными аналогами благодаря использованию большого количества кислорода для индукции тока, а не хранению необходимого химического окислителя внутри.
К сожалению, до сих пор необходимы исследования в ряде ключевых областей, прежде чем коммерчески жизнеспособный продукт Li-Air появится в наших портативных устройствах.
Помогло ли это вашему пониманию батарей в ваших портативных устройствах? Дайте нам знать, что вы думаете ниже!
Кредиты для изображений: батареи через Wikimedia Commons, вольтовую кучу через Wikimedia Commons, литий-ионную батарею через Wikimedia Commons, литий-полимерную батарею через Wikimedia Commons, 3GS со сломанной батареей через Wikimedia Commons, пустую батарею через Pixabay, плотность энергии батареи через Wikimedia Commons
