Kaip viskas prasidėjo – nuo nikio iki ličio
Prisimenu savo pirmąjį mobilųjį telefoną – tai buvo kažkoks Nokia modelis su keičiama baterija, kuri buvo stora kaip plytelė ir svėrė turbūt pusę telefono svorio. Bet žinot kas? Ta baterija laikydavo savaitę! Tiesa, telefonas tik skambino ir siuntė SMS žinutes, bet vis tiek.
Mobilių telefonų baterijų kelionė prasidėjo dar devintojo dešimtmečio pabaigoje, kai pirmieji “mobilieji” telefonai buvo panašūs į plytgalius. Tuomet naudotos nikelio-kadmio (NiCd) baterijos buvo tikri energijos rijikai – sunkios, greitai išsikraudavo ir turėjo tą bjaurų “atminties efektą”. Jei nekraudavai baterijos iki galo, ji tarsi “įsimindavo” tą lygį ir atsisakydavo naudoti visą savo talpą. Reikėdavo ją periodiškai visiškai iškrauti ir vėl įkrauti, kitaip po kelių mėnesių turėdavai beveik nenaudojamą akumuliatorių.
Paskui atėjo nikelio-metalų hidrido (NiMH) baterijos – šiek tiek lengvesnės, šiek tiek talpesnės, bet vis dar ne tai. Jos buvo tarsi tarpinis variantas, kol technologijos pasiekė tikrąjį proveržį – ličio jonų baterijas. Pirmoji komercinė ličio jonų baterija pasirodė 1991 metais, o į mobilius telefonus jos atkeliavo maždaug 1995-aisiais. Ir tai buvo revoliucija.
Ličio jonų baterijos anatomija – kas vyksta viduje
Dabar kiekvienam telefone yra ličio jonų arba ličio polimerų baterija. Skamba sudėtingai, bet principas gana paprastas – tai energijos talpykla, kuri veikia kaip labai efektyvus cheminis reaktorius.
Įsivaizduokite bateriją kaip sumuštinį su keliais sluoksniais. Viršuje turite katodą (teigiamą elektrodą), apačioje – anodą (neigiamą elektrodą), o tarp jų – separatorių, permirkusį elektrolitu. Kai kraunate telefoną, ličio jonai keliauja iš katodo per elektrolitą į anodą ir ten “įsikerta” į grafito struktūrą. Kai naudojate telefoną, procesas vyksta atvirkščiai – jonai grįžta atgal, o šis judėjimas generuoja elektros srovę, kuri maitina jūsų įrenginį.
Katodas paprastai pagamintas iš ličio kobaltoksido, ličio geležies fosfato arba kitų ličio junginių. Anodas dažniausiai yra grafitas. Elektrolitas – tai skystis ar gelis, kuris leidžia jonams judėti pirmyn ir atgal. Visa ši sistema yra hermetiškai uždaryta aliuminio ar plieno dėkle, nes ličio junginiai labai jautrūs drėgmei ir orui.
Kodėl baterijos sensta ir kaip tai sustabdyti
Turbūt pastebėjote, kad naujas telefonas laiko bateriją puikiai, bet po metų ar dvejų jau reikia krauti kasdien, o po trejų – gal net du kartus per dieną. Tai ne jūsų įsivaizdavimas – baterijos tikrai sensta.
Kiekvieną kartą kraudami ir naudodami telefoną, sukuriate mikroskopines chemines reakcijas baterijoje. Laikui bėgant, ant elektrodo paviršių susidaro plonytis sluoksnis, vadinamas SEI (solid electrolyte interphase). Šis sluoksnis kaupiasi ir kaupiasi, trukdydamas jonams judėti laisvai. Be to, grafito struktūra anodo viduje pamažu deformuojasi – tarsi senų kopėčių pakopas, kurios po daugelio naudojimo kartų tampa silpnesnės.
Yra keletas dalykų, kurie pagreitina šį senėjimo procesą. Pirma – karštis. Jei paliekate telefoną tiesioginiuose saulės spinduliuose arba kraunate jį po pagalve, baterija sensta gerokai greičiau. Optimali temperatūra baterijai yra apie 20-25 laipsniai. Antra – gilūs iškrovimai. Nors senosios baterijos turėjo “atminties efektą”, šiuolaikinės ličio jonų baterijos jo neturi, bet jos nemėgsta būti visiškai iškrautos. Idealus lygis yra tarp 20% ir 80%.
Trečia – greitas krovimas. Taip, žinau, visi giriamės, kad mūsų telefonas įsikrauna per 30 minučių, bet tai baterijai – tarsi sprintas maratonininko organizmo. Galima kartais, bet ne kasdien. Greitas krovimas kelia temperatūrą ir sukelia didesnius cheminius stresus baterijoje.
Ličio polimerų era – plonesnės ir lankstesnės
Apie 2000-ųjų vidurį į rinką atėjo ličio polimerų (Li-Po) baterijos. Jos veikia tuo pačiu principu kaip ličio jonų, bet vietoj skysčio elektrolito naudoja gelinį arba kietą polimerą. Skamba kaip smulkmena, bet tai atvėrė visiškai naujas galimybes.
Pirmiausia, tokias baterijas galima gaminti beveik bet kokios formos. Nebereikia standartinių stačiakampių dėžučių – galite turėti lenktas, apvalias, L formos baterijas. Tai leido telefonų gamintojams efektyviau išnaudoti kiekvieną milimetrą vietos telefono viduje. Štai kodėl šiuolaikiniai išmanieji telefonai gali būti tokie ploni ir vis dar turėti pristojamos talpos bateriją.
Antra, Li-Po baterijos yra šiek tiek saugesnės. Jos mažiau linkusios išsipūsti ar užsidegti, nors, kaip parodė kai kurių gamintojų patirtis (atsimename Galaxy Note 7 skandalą?), tai vis dar įmanoma, jei gamyboje padaroma klaidų.
Trečia, jos gali būti lengvesnės, nes nereikia tokio storo ir sunkaus korpuso kaip skystą elektrolitą turinčioms baterijoms. Kiekvienas gramas svarbu, kai bandai sukurti kuo lengvesnį įrenginį.
Greito krovimo technologijos – kaip tai veikia
Prisimenu laikus, kai telefono įkrovimas užtrukdavo 3-4 valandas. Dabar turime telefonų, kurie įsikrauna per pusvalandį. Kaip tai įmanoma?
Paprasčiausia analogija – vandentiekio vamzdis. Jei norite pripildyti baseiną greičiau, galite arba padidinti vandens spaudimą (įtampą), arba naudoti storesnį vamzdį (srovę), arba abu dalykus kartu. Greito krovimo technologijos daro būtent tai – didina galią, tiekiamą į bateriją.
Bet čia yra gudrybes. Negalite tiesiog padidinti galios ir tikėtis, kad viskas bus gerai – baterija perkaistų ir galimai būtų sugadinta. Todėl šiuolaikinės greito krovimo sistemos yra labai protingos. Jos nuolat stebi baterijos temperatūrą, įtampą ir dabartinį įkrovimo lygį, ir atitinkamai reguliuoja tiekiamą galią.
Pavyzdžiui, kai baterija tuščia (tarkime, 0-50%), sistema gali tiekti maksimalią galią – 65W, 100W ar net 200W naujausių modelių atveju. Bet kai baterija pasiekia 50-80%, galia pamažu mažinama. O paskutiniai 80-100% kraunami labai lėtai ir atsargiai – tai vadinama “trickle charging” arba lašeliniu krauvimu. Taip apsaugoma baterija nuo perkrovimo ir pailginamas jos tarnavimo laikas.
Dar vienas triukas – kai kurie gamintojai skaido bateriją į dvi dalis. Kiekviena pusė kraunama atskirai, efektyviai padvigubinant krovimo greitį, nes abi dalys kraunamos lygiagrečiai. Išmanu, ar ne?
Ateities technologijos – kas keičia ličio valdžią
Nors ličio jonų baterijos yra puikios, jos artėja prie savo teorinių ribų. Negalime be galo didinti jų talpos nepakeisdami pagrindinės chemijos. Todėl mokslininkai ir inžinieriai visame pasaulyje ieško alternatyvų.
Viena žadančiausių krypčių – kietakūnės baterijos. Vietoj skysčio ar gelio elektrolito, jos naudoja kietą medžiagą. Tai skamba kaip smulkmena, bet privalumai didžiuliai: didesnė energijos tankis (daugiau talpos tame pačiame tūryje), geresnė sauga (nieko negali ištekėti ar užsidegti), ilgesnis tarnavimo laikas. Toyota ir kiti automobilių gamintojai intensyviai investuoja į šią technologiją elektromobiliams, bet ji atkeliaus ir į telefonus. Tiesa, kol kas gamyba labai brangi ir sudėtinga.
Kita įdomi kryptis – ličio-sieros baterijos. Siera yra pigesnė ir gausesnė už kobaltą, o teoriškai tokios baterijos gali turėti 3-5 kartus didesnę talpą nei dabartinės ličio jonų. Problema – siera reaguoja su elektrolitu ir greitai degraduoja. Bet jau yra pažangos – kai kurie prototipai išlaiko 200-300 krovimo ciklų, nors iki komercinio produkto dar toli.
Grafeno baterijos – dar viena karšta tema. Grafenas yra vieno atomo storio anglies sluoksnis, kuris puikiai veda elektrą ir šilumą. Baterijos su grafeno komponentais galėtų krauti neįtikėtinai greitai ir turėti didesnę talpą. Bet, kaip ir su daugeliu grafeno technologijų, gamyba dideliu mastu kol kas per brangi.
Kaip prižiūrėti telefono bateriją – praktiniai patarimai
Gerai, užteks teorijos. Ką konkrečiai galite daryti, kad jūsų telefono baterija tarnautų ilgiau?
Pirmas ir svarbiausias dalykas – venkite kraštutinumų. Nebandykite laikyti baterijos visada 100% įkrautos, ir tikrai neleiskite jai reguliariai kristi iki 0%. Idealus langas yra 20-80%. Taip, žinau, tai nepatogu, bet jei norite, kad baterija laikytų 3-4 metus vietoj 1-2, tai verta.
Kitas dalykas – temperatūra. Niekada nepalikite telefono karštoje mašinoje vasarą. Niekada nekraukite jo po pagalve ar antklode. Jei telefonas kraudamas tampa karštas – tai blogai. Nuimkite dėklą krovimo metu, jei reikia. Kai kurie telefonai turi “optimizuoto krovimo” funkciją – ji mokosi jūsų įpročių ir lėtina krovimą naktį, kad telefonas neišbūtų 100% įkrautas 6-7 valandas. Įjunkite ją.
Jei naudojate greitą krovimą, darykite tai tik kai tikrai skubate. Kasdieniam krovimui naudokite įprastą kroviklį. Taip, tai užtruks ilgiau, bet baterija dėkinga bus.
Dar vienas patarimas – jei žinote, kad nenaudosite telefono ilgą laiką (pavyzdžiui, senas telefonas kaip atsarginis), įkraukite jį iki 50-60% ir išjunkite. Neleiskite baterijai būti visiškai tuščiai ilgą laiką – tai gali ją visiškai sugadinti.
Ir paskutinis dalykas – programinė įranga. Atnaujinkite savo telefono operacinę sistemą. Gamintojai nuolat tobulina baterijos valdymo algoritmus. Taip pat peržiūrėkite, kurios programos naudoja daugiausiai energijos (tai galite pamatyti nustatymuose) ir apribokite jų veiklą fone, jei nereikia.
Kai baterija miršta – kas toliau
Anksčiau ar vėliau kiekviena baterija pasiekia savo gyvavimo pabaigą. Seniau galėjai tiesiog nusipirkti naują bateriją ir pakeisti ją per 10 sekundžių. Dabar dauguma telefonų turi neišimamas baterijas, kas yra ir gerai (telefonas gali būti plonesnis ir geriau apsaugotas nuo vandens), ir blogai (negalite patys pakeisti).
Bet tai nereiškia, kad telefoną reikia išmesti. Baterijos keitimas servisų centruose paprastai kainuoja 30-80 eurų, priklausomai nuo modelio. Jei telefonas kitais atžvilgiais dar geras, tai verta investicija. Naujas akumuliatorius gali suteikti jūsų telefonui antrą gyvenimą.
Svarbu – niekada nebandykite patys atidaryti telefono su neišimama baterija, jei nežinote ką darote. Ličio baterijos, pažeistos ar praduriamos, gali užsidegti. Tai ne šiukšlė – YouTube pilnas video, kur žmonės tyčia duria baterijas ir stebi spektaklingus rezultatus. Nereikia tokių eksperimentų namuose.
Kai ateis laikas atsisveikinti su telefonu, nepameskite jo į šiukšlių dėžę. Baterijos turi būti perdirbamos specialiose vietose. Jose yra vertingų metalų – ličio, kobalto, nikelio – kurie gali būti išgaunami ir naudojami naujose baterijose. Be to, netinkamai išmestos baterijos gali užteršti aplinką ir kelia gaisro pavojų sąvartynuose.
Baterijos kaip telefono širdis – kodėl jos tokios svarbios
Galų gale, baterija yra tai, kas skiria šiuolaikinį išmanųjį telefoną nuo galingos, bet nenaudingos technologijos. Galite turėti geriausią procesorių, nuostabiausią ekraną, įspūdingiausią kamerą – bet jei baterija išsikrauna per 2 valandas, kas iš to?
Baterijos technologija pažengė neįtikėtinai per pastaruosius 20 metų, bet vis dar yra silpniausia grandis. Kiti telefono komponentai tobulėja eksponentiškai – procesoriai kas metus tampa dvigubai galingesni, ekranai – ryškesni ir tikslesni, kameros – geresnės. Bet baterijos? Jos gerėja maždaug 5-7% per metus. Tai lėtas, nuoseklus progresas, ne revoliucija.
Todėl gamintojai turi būti kūrybiški. Jie optimizuoja programinę įrangą, kad ji naudotų mažiau energijos. Kuria energijos taupymo režimus. Tobulina ekranų technologijas (OLED ekranai naudoja mažiau energijos nei LCD). Naudoja efektyvesnius procesorius. Visa tai padeda, bet fundamentaliai mes vis dar laukiame kito didelio šuolio baterijų technologijoje.
Gera žinia – tas šuolis artėja. Kietakūnės baterijos, nauji elektrodų medžiagos, geresni valdymo algoritmai – visa tai jau laboratorijose. Per ateinančius 5-10 metų tikėtina, kad pamatysime telefonus, kurie laiko savaitę intensyviai naudojant, arba įsikrauna per kelias minutes. O gal net abiem dalykų. Iki tol, prižiūrėkime tas baterijas, kurias turime, ir būkime dėkingi, kad nebereikia nešiotis atsarginės baterijos kaip 2005-aisiais.