Baterie w urządzeniach mobilnych: wszystko co powinieneś wiedzieć

Ogniwa zasilające Twoje urządzenia mobilne to prawdziwe perełki inżynierii chemicznej zdolne przechowywać przez długi czas spore ilości energii. Ale jak one działają i jak należy je użytkować, aby w pełni wykorzystać ich możliwości?

Poniżej znajdziecie krótki przewodnik po bateriach i ogniwach zasilających współczesne urządzenia mobilne. Nadmienić należy, że napisany jest on przez laika dla laików, więc po jego lekturze nie będziecie w stanie sami skonstruować baterii w przydomowym warsztacie, ale przynajmniej wiedzieć będziecie, co w waszym telefonie / tablecie / laptopie siedzi i jak z grubsza funkcjonują one.

Współczesne urządzenia przenośne działają w większej mierze w oparciu o baterie litowo-jonowe (zwane czasami Li-ion’ami), które zbudowane są w oparciu o dwa główne komponenty: parę elektrod i elektrolit między nimi (najczęściej jest to ciekły organiczny rozpuszczalnik, który pozwala na swobodny przepływ elektronów). Materiały, z których zbudowane są elektrody różni się w zależności od konkretnego typu baterii (mogą to być grafit, lit lub nanoprzewody), ale wszystkie oparte są o reakcje chemiczne z litem "w roli głównej". Ten metal jest tak bardzo reakcyjny, że w czystej postaci, wyeksponowany na powietrze i tlen w nim zawarty może się samoistnie zapalić, dlatego aby to obejść i stworzyć bardziej stabilne ogniwo często wykorzystuje się tlenek litowo-kobaltowy (LiCO2).

Naładowana bateria litowo jonowa "wyłapuje i przechowuje" elektrony, które następnie uwalniane są, gdy urządzenie zgłasza potrzebę poboru energii, rozmawiamy przez telefon, słuchamy muzyki, wyświetlamy obraz na ekranie etc.

BAT_1

BAT_1

Baterie litowo jonowe są najpopularniejsze również, dlatego, że oferują one relatywnie najlepszą pojemność względem rozmiarów samej baterii. Właściwość tą mierzy się za pomocą pojęcia gęstości energii (ilość energii znajdującej w określonej objętości lub masie), którą wyraża się w Wato godzinach. Jednostka ta informuje nas ile energii może być przechowane w jednym kilogramie baterii. Dla ogniw litowo jonowych współczynnik ten wacha się pomiędzy 150 a 250 Wh/kg, podczas gdy starsze rodzaje baterii niklowo wodorkowe (NiMH) mogą poszczycić się zaledwie 100 Wh/kg. Po ludzku: baterie litowo jonowe są mniejsze, lżejsze i wydajniejsze niż baterie innego rodzaju, przez to nadają się idealnie do urządzeń przenośnych.

To, co chemicy nazywają spontaniczną i niekontrolowaną reakcją wycieku ciepła inni śmiertelnicy nazywają … pożarem.

Cały powyższy wywód z danymi z chemii i fizyki sprowadza się do stwierdzenia: Bateria w Twoim urządzeniu zbiera i magazynuje energię a reakcje chemiczne w niej zachodzące powodują, że "czeka ona tylko na okazję" żeby ją oddać do otoczenia. W każdy możliwy sposób. Szybko powtórka z fizyki podpowiada nam, że energię przekazywać można na wiele sposobów min. ciepło, o czym boleśnie przekonał się ostatnio Boeing. Jeżeli nie kojarzycie afery pozwolę sobie przypomnieć. W styczniu tego roku miały miejsce dwa spektakularne wydarzenia w świecie lotnictwa - w Polsce, jako pierwszym europejskim kraju debiutowały Dreamlinery 787 oraz nastąpiło ogólnoświatowe uziemienie tychże z powodu niesprecyzowanych (na początku) usterek technicznych. Samoloty zapalały się. Od 16 stycznia bieżącego roku Amerykański Krajowy Zarząd Bezpieczeństwa Transportu (NTSB), FAA (Federalna Agencja Awiacji) i agendy technicznego nadzoru lotnictwa starały się wykryć przyczyny usterek. Nieprawidłowe działanie wykazano w akumulatorach samolotów. Akumulatorach Li-ion.

I to jest właśnie jedna z największych wad baterii Litowo Jonowych, jeżeli nadmiernie rozładujemy baterię, wiązania chemiczne w jej wnętrzu załamią się i rozpocznie się reakcja wytwarzania nadmiernej ilości tlenku litu. Ten będąc materiałem bardzo łatwo palnym będzie… się zapalał wzmagając reakcję wytwarzania tlenku (ciepło jest katalizatorem tej reakcji chemicznej) i cały proces zapętli się. To, co chemicy nazywają spontaniczną i niekontrolowaną reakcją wycieku ciepła inni śmiertelnicy nazywają … pożarem. Dojść do tego może również w sytuacji, kiedy mechanicznie uszkodzi się powłokę baterii i do środka zacznie dostawać się tlen. Dlatego zalecane jest szczelne pakowanie wszystkich baterii urządzeń mobilnych do bagażu podręcznego (mniejsza szansa na uszkodzenia mechaniczne, my raczej nie rzucamy własnymi rzeczami po kabinie samolotu).

Pojemność baterii.

Pojemność baterii urządzeń przenośnych mierzy się za pomocą jednostki miliampero-godzin (mAh), która informuje nas jak i ile energii może dostarczyć konkretna bateria w czasie. Dla przykładu, jeżeli bateria w charakterystyce wykazane ma 1000 mAh to znaczy to, że jest ona w stanie wygenerować 1000 miliamperów natężenia przez jedną godzinę. Posługując się dalej przykładem, jeżeli Twoje urządzenie zużywa 500 miliamperów bateria powinna być w stanie utrzymać je przy pracy przez około 2 godziny.

Oznaczenia o żywotności / pojemności baterii traktować należy z dużym dystansem.

W rzeczywistości "długość życia baterii" jest tematem o wiele bardziej skomplikowanym niż na powyższym przykładzie zilustrowano. Dzieję się tak chociażby, dlatego że pobór mocy urządzenia nie jest stały i zmienia się diametralnie w zależności od tego, co w danej chwili dzieje się z nim. Jeżeli jednocześnie włączymy radio, będziemy przeglądać treści na wyświetlaczu a procesor będzie mielił dane wyciskając z siebie "siódme poty" zużycie energii będzie znacznie większe niż w sytuacji, kiedy producenta badał żywotność baterii. I analogicznie, kiedy urządzenie leży odłogiem i praktycznie z niego nie korzystamy zużycie będzie znacznie mniejsze.

Dlatego też oznaczenia o żywotności / pojemności baterii traktować należy z dużym dystansem. Producenci mogą w różnoraki sposób wpływać na wyniki swoich testów i np. sztucznie wydłużać żywotność swoich baterii poprzez testowanie ich na maksymalnie ściemnionych wyświetlaczach lub przy wyłączeniu wszystkich, poza krytycznymi dla działania urządzenia, procesów. Odciąży to CPU urządzenia i pobór energii będzie znowu znacznie mniejszy niż w wypadku standardowego użytkowania a wyniki pomiarów znacznie lepsze. Jeżeli jesteście zainteresowani bardziej tematem poborów energii przez poszczególne podzespoły waszego urządzenia można zainstalować popularne aplikacje monitorujące zużycie baterii.

Dla systemów Android przykłady poniżej:

AND_1

AND_1

•             Battery Monitor - mnóstwo opcji i pomiarów prowadzonych w czasie rzeczywistym, przejrzysty interfejs i zestaw widgetów do ustawienia na ekranie Home to najważniejsze cechy programu. Jest to kompletny menadżer baterii, którzy mierzy i zapisuje (dostęp do historii działania baterii) dane dotyczące procentowego zużycia, "konsumpcji" mA, mW lub mV oraz temperatury ogniwa. Za jego pomocą można oszacować faktyczne zużycie i żywotność chwilową jak i "globalną" baterii. Przy użyciu programu można lepiej skalibrować ogniwo i zoptymalizować jego zużycie poprzez bezpośrednią kontrolę procesów. Program jest darmowy i dostępny w języku polskim.

•             Battery percentage notifier - najprostszy i najbardziej przejrzysty program przeznaczony dla użytkowników, którym pojęcia mA, mW lub mV nie są potrzebne do szczęścia. Wykazywany jest dokładny procentowy poziom naładowania baterii w przyrostach o 1% i dokładnie oblicza czas pozostały do rozładowania się urządzenia.

Dla systemów iOS:

iOS_1

iOS_1

•             Battery Life Pro - wszystkie wspomniane wcześniej funkcjonalności programów dla Androida wzbogacone o iOSowy "SWAG", czyli prezentację wizualną.

Kontrolowanie przepływu energii w urządzeniu.

Z powodu sowich pirotechnicznych właściwości Li-jony muszą być bacznie kontrolowane. Producenci zdejmują ten obowiązek z użytkowników końcowych swoich ogniw poprzez instalację w nich kontrolerów naładowania, które monitorują i zarządzają przepływem napięcia w bateriach. Przekłada się to na to, że w każdym z akumulatorów zamontowane są miniaturowe komputerki zapobiegające zbyt szybkiemu lub zbyt dużemu rozładowaniu się baterii. Monitorowany jest też proces ładowania baterii, podczas którego pilnuje się, aby nie została ona naładowana zbytnio. Pod koniec, gdy ogniwo jest już prawie w pełni naładowane, kontroler zmniejsza przepływ prądu w baterii i wysyła informację do urządzenia żeby to poinformowało właściciela o końcu ładowania.

BAT_2

BAT_2

Obrazuje to grafika obok, na której wykazaliśmy proces ładowania Samsunga Galaxy Note. Czarna linia obrazuje napięcie i przepływ energii do akumulatora, czerwone pole poziom naładowania baterii. Jak wynika z zaprezentowanego wykresu najszybciej i z największym przepływem energii mamy do czynienia na samym początku, kiedy bateria jest prawie pusta. Później następuje stopniowe wygaszenie procesu aż do jego praktycznego zatrzymania w sytuacji pełnego naładowania. Wot technika!

Przyszłość zasilania.

Technologia i konstrukcje baterii i akumulatorów są ciągle rozwijane. W licznych laboratoriach na całym świecie pracuje się nad rozwojem i jeszcze większym okiełznaniem technologii litowo jonowej oraz nad nowymi źródłami zasilania. Źródłami bardziej wydajnymi i bezpieczniejszymi w użyciu, nie szkodliwymi dla środowiska i ludzi. Ogólnie wysiłki znacznej części naukowców skierowała się na badania super kondensatorów. Urządzenia te działają w sposób bardzo podobny do sprężarek, magazynuje się w nich energię elektryczną i uwalnia w postaci silnego, gwałtownego impulsu, coś na zasadzie strzału z paralizatora. Takie działanie pozwala znacznie skrócić czasy ładowania urządzeń, gdyż nie potrzeba tutaj wielu czasochłonnych reakcji chemicznych. Minusem tej metody jest fakt, że super kondensatory póki, co mogą dostarczać energię w ten sposób w relatywnie krótkim okresie czasu, co stoi w idealnej opozycji do wymagań dzisiejszych urządzeń mobilnych.

Ciekawą propozycją na rynku akumulatorów i baterii jest ogniwo Nectar Fuel-Cell zaprezentowane w Styczniu tego roku na targach CES.

BAT_3

BAT_3

Firma Lilliputian Systems (sic!) w kooperacji z Brookstone zaprezentowali urządzenie, które w najbliższej przyszłości może stać się źródłem taniej mobilnej energii dla wszystkich urządzeń przenośnych. Na stronie producenta znajdujemy następujące informacje o produkcie:

•             Ładuj swoje smartphoney, aparaty fotograficzne, odtwarzacze mp3s, tablety, telefony komórkowe i znacznie więcej;

•             Podłączaj do urządzeń za pomocą portu USB 2.0;

•             55000 mW zawarte w pojedynczym kartridżu do dwóch tygodni ładowania dla standardowego telefonu komórkowego

•             Nectar Power Pods jest łatwy do obsługi i wymiany;

•             Idealny do podróży, zatwierdzony do korzystania na pokładach samolotów;

•             Kompaktowy, lekki i przenośny;

•             Waży tylko 230 gram.

NECTAR

NECTAR

Świetnie, ale co to znaczy? W ogólnym zamyśle urządzenie to ma być w stanie doładować (bez podłączania do sieci) od 10 do 14 razy pod rząd telefon komórkowy. Urządzenie wielkości małego notesu zasilane jest jednorazowymi ogniwami, których używanie i wymiana przywodzi na myśl tonery w drukarce. Podłączamy do niego nasz telefon za pomocą kabla USB, urządzenie zasilamy ogniwem i całość działa jak ładowarka. Tylko, że szybciej i mobilnie bez potrzeby podłączenia pod stałą sieć energetyczną. Największą wadą urządzenia póki, co zdaje się być jego dość zaporowa cena.

Baza dokująca kosztuje 300 USD (cena sugerowana przez producenta na stronie) a pojedynczy Nectar Power Pod (kartridż zasilający) to kolejne 10 USD.

Przyszłość może zaowocować również w "rozwoju romansu litu z siarką". Akumulatory  litowo-siarkowe (Li-S) charakteryzują się znacznie większą pojemnością niż baterie litowo -jonowe. Dodatkową korzyścią przemawiającą za ich masowym użyciem jest tani koszt produkcji ze względu na wykorzystanie w produkcji nie drogiej siarki. W bateriach tych anoda wykonana jest z litu, a katoda zawiera siarkę i wielosiarczki litu. Dzięki niskiej gęstości litu oraz umiarkowanej gęstości siarki, akumulatory Li-S są względnie lekkie. Niekorzystną cechą jest ich szybko spadająca pojemność podczas kolejnych cykli ładowania/rozładowywania.

Pozostaje nam czekać i bacznie obserwować rynek baterii. Dużo pracy poświęcane jest na uzyskanie jak największej mobilności, wydajności i żywotności tych urządzeń dlatego nadchodzące lata z pewnością przyniosą ciekawe konstrukcje i rozwiązania.


Zobacz również