в каком году появился аккумулятор
История создания первых аккумуляторов
Первые опыты, показавшие возможность аккумулировать, т.е. скоплять электрическую энергию, были произведены вскоре после открытия итальянским ученым Вольтой явлений гальванического электричества.
В 1801 году французский физик Готеро, пропуская через воду посредством платиновых электродов ток, обнаружил, что после того, как ток через воду прерван, можно, соединив между собой электроды, получить кратковременный электрический ток.
Ученый Риттер проделывал затем тот же опыт, употребляя вместо платиновых элекродов электроды из золота, серебра, меди и т. д. и отделяя их друг от друга кусками сукна, пропитанными растворами солей, он получил первый вторичный, т. е. способный отдавать запасенную в нем электрическую энергию, элемент.
Первые попытки создать теорию такого элемента были сделаны Вольтой, Марианини и Бекерелем, которые утверждали, что действие аккумулятора зависит от разложения электрическим током растворов солей на кислоту и щелочь и что эти последние затем, соединяясь, дают снова электрический ток.
Эта теория была разбита в 1926 году опытами Дерярива, который первый применил в аккумуляторе подкисленную воду.
Подкисленная вода при прохождении тока разлагается, очевидно, на кислород и водород, и этому разложению элемент и обязан своим последующим действием. Это положение блестяще доказал Грове, построив свой знаменитый газовый аккумулятор, состоящий из пластин, опущенных в подкисленную воду и окруженных в верхней части: одна — водородом и другая — кислородом. Однако, аккумулятор в таком виде был очень непрактичен, так как для запасания больших количеств электричества требовалось хранить очень большое количество газов, которые занимали большой объем.
Большое практическое усовершенствование в развитии аккумуляторов было внесено в 1859 году Гастоном Планте, который в результате длинного ряда опытов пришел к типу аккумулятора, состоящего из свинцовых пластин с большой поверхностью, которые при заряжении током покрывались окисью свинца, а. выделяя кислород и жидкость, отдавали электрический ток.
Планте брал две полосы из листового свинца, прокладывал между ними полосы сукна и сворачивал полосы вокруг круглой палки. Затем получившийся сверток он стягивал резиновыми кольцами и ставил в сосуд с подкисленной водой. При многократном заряжании и разряжании такого аккумулятора, на поверхности пластин образовывался активный действующий слой, который участвовал в процессе и придавал элементу большую емкость. Однако необходимость очень большого числа зарядов и разрядов аккумулятора Планте для придания ему некоторой емкости, очень сильно удорожало стоимость аккумулятора и затрудняло его выработку.
Дальнейшие усовершенствования в истории свинцовых аккумуляторов шли уже по пути улучшения примененного Фором способа заполнения и формовки решетчатых пластин, не внося резких изменений в конструкцию аккумулятора. Параллельно с развитием свинцовых аккумуляторов, обладающих рядом крупных и неустранимых недостатков, как, например, большой вес на единицу емкости, невозможность сохранения без порчи в разряженном состоянии и т. д., шла разработка возможностей применения для изготовления аккумуляторов и других металлов, кроме свинца.
Простейшим из этих аккумуляторов, но и обладающим рядом недостатков, является элемент Лалавда. При пропускании через отработавший элемент Лаланда тока в обратном нормальному направлении, восстановившаяся медь превращается в окись меди, жидкость восстанавливает свои свойства, а на цинковом электроде осаждается цинк в виде рыхлой массы или порошка. Последнее обстоятельство и мешает применению элемента Лаланда в качестве аккумулятора, так как осевший цинк держится на электроде очень непрочно, легко отделяется от него и не дает хорошего контакта. Большим преимуществом этого элемента является его незначительный вес на единицу емкости, по сравнению со свинцовым аккумулятором.
Работа над усовершенствованием этого аккумулятора была проделана многими учеными, как Ренье, Сомелином, Дариусом и др, и в 1901 году новый тип несвинцового аккумулятора был запатентован одновременно Эдиссоном и Юнгнером.
Этот аккумулятор состоит из двух систем пластин, содержащих одна окись железа, а другая черную окись никкеля, опущенных в 20% раствор едкой щелочи, обычно едкого кали, с прибавлением 0,5 — 1% едкого лития.
Элементы Эдиссона и Юнгнера получили широкое применение в тех случаях, когда необходим малый вес и неприхотливость аккумуляторов к зарядке, так как они могут стоять как угодно долго в разряженном состоянии. Вытеснить свинцовые аккумуляторы они, однако, не смогли как благодаря их высокой цене, так и вследствие малой отдачи и низкого напряжения, даваемого ими. Таким образом, железониккелевым аккумуляторам отведено, большое место во всех переносных и подвижных установках, в то время как за свинцовыми аккумуляторами стало широкое поле применения в стационарных установках.
Эволюция аккумуляторов: от эбонита к графену
Сегодня мы отправимся в увлекательную историю развития аккумуляторов, батарей и элементов питания.
Человечество никогда не стояло на месте. С древних времен наших предков интересовал целый спектр всевозможных физических и химических явлений. Ученые постоянно открывали что-то новое. Такое ноу-хау, как правило, сперва напрочь отрицалось наукой, затем о нем забывали, а спустя несколько десятилетий, уже забытого всеми ученого восхваляли и называли «человеком, который изменил мир». Наверняка вы читаете эти строки с устройства, работающего от розетки или имеющего в своем распоряжении один из важнейших элементов – аккумулятор. И если бы 2 700 лет назад древнегреческий философ Фалес не обратил внимание на взаимодействие шерсти и янтаря, если бы в 1600 году не был введен термин электричество, а в 1800 Аллесандро Вольта не заинтересовался пластинами из цинка и меди, возможно современный мир был намного скучнее.
С чего все началось
Наука средневековья – весьма спорное и запутанное явление. Тем не менее, именно существование целого ряда схоластических теорий породило такое понятие, как научно-технический прогресс. До появления первых аккумуляторов пройдет еще более 2,5 тысяч лет, а пока в солнечной Греции дочь философа Фалеса безуспешно пытается очистить янтарное веретено от мелких частичек ворса, ниток и пыли. Как оказалось, смахнуть их не так-то просто.
Во время правления английской королевы Елизаветы I (1533 – 1603) ее лейб-медик Вильям Гильберт Колчестерский всерьез заинтересовался устройством компаса, магнитами, янтарем и прочими драгоценными камнями, которые после натирания мехом притягивали к себе мелкие частички пергамента. Становилось понятным, что несмотря на определенную схожесть, магнетизм и электричество (термин, введенный самим Гильбертом) имеют совершенно разную природу. Магнит способен притягивать исключительно железо, в то время как электричество, вызванное трением, способно к притяжению частичек неметалического происхождения.
Понятие «притяжение» в средневековье относили к категории «магнитов». Все дополняющие друг-друга явления, вроде ветра и мельницы, солнца и тепла, мужчины и женщины относили к магнитам. Ненависти собак и кошек, друзей и врагов, льда и огня приписывали категорию «феамидов», а в магнетизме это понятие подтверждалось северным и южным полюсами магнита. С появлением электричества «магниты» и «феамиды» станут знакомы по маркировкам «плюс» и «минус», которые можно найти на любом аккумуляторе.
В последующих опытах бургомистра Отто Фон Герике в качестве источника электричества использовался шар из серы. Во время вращения его придерживали руками, а скапливающийся электрический заряд передавался металлическому бруску, который в последствии назовут «лейденской банкой» – главный атрибут престижной средневековой лаборатории, который и стал прообразом современного аккумулятора.
После введения понятия электричество в 1600 году и вплоть до начала XIX века по Европе прокатилась буря опытов, связанных с изучением материалов, способных вызывать так называемый «универсальный временный магнетизм». Тем временем во Франции проводил свои эксперимент ученый, имя которого навсегда осталось нераздельно связанным с любым электрическим прибором.
Великий Вольт
Желая понять природу электричества и в прямом смысле слова «почувствовать его вкус», Алессандро Вольта экспериментировал с монетами, изготовленными из разных металлов. Положив одну из них на язык, а другую под, и соединив их проволокой, Вольта отмечал присутствие характерного кисловатого привкуса. Так острота вкусовых рецепторов человека привела к открытию гальванического электричества, явления, которое еще в середине XVIII века описывал итальянский врач, анатом и физик Луиджи Гальвани, проводя опыты по препарированию лягушек.
Следующим шагом стало конструирование первой электрической батареи, принцип работы которой заключался в погружении медных и цинковых пластин, соединенных последовательно, в раствор кислоты. Изобретение первого химического источника тока, полученного в лабораторных условиях, принято датировать 1798 годом, а его автором стал Аллесандро Вольта.
В течение последующих пяти лет в области исследования гальванических батарей начнется настоящий ажиотаж. 1801 год ознаменовался появлением кратковременного источника питания. Проводя опыты, Готеро (франц. физик), используя воду, платиновые электроды и ток, доказал, что даже после прекращения подачи тока, электроды продолжают излучать электричество. Два года спустя, немецкий химик Иоганн Риттер, заменив платиновые электроды на медные и сформировав из них цепочку пластин, переложенных кусками сукна, сконструировал первый вторичный элемент питания – иными словами, первую аккумуляторную батарею, способную сперва накапливать заряд, а потом постепенного его отдавать без участия «гальванической подпитки».
Пятьдесят медных кружков, смоченной в соленом растворе сукно и вольтов столб положили начало эры аккумуляторов с возможностью многократного цикла заряд-разряд. Появляется новая наука – электрохимия. Начатые в 1854 году немецким врачом Вильгельмом Зингстеденом опыты по использованию свинцовых электродов и их поведению в серной кислоте, спустя пять лет вылились в знаменательное открытие французского инженера Гастона Планте. В 1859 году Планте проводил исследования с листовым свинцом, свернутым в трубочку и разделенным полосами сукна. При погружении в подкисленную воду и под действием тока, свинцовые пластины покрывались активным действующим слоем. Многократное пропускание тока приводило к постепенному росту емкости первой свинцово-кислотной батареи, но рутинное осуществление этого трудоемкого процесса (на изготовление требовалось около 500 часов) приводило к росту конечной стоимости аккумулятора. Более того, потенциальный заряд аккумулятора был сравнительно невелик.
Наследие Зингстедена и Планте будет усовершенствовано через 23 года ученным Камиллом Фором, пересмотревшим процесс изготовления используемых в аккумуляторе пластин. Ускорить формирование активного слоя стало возможным благодаря покрытию пластин окислами свинца. Под действием тока вещество превращалось в перекись, а полученные окислы приобретали пористое строение, способствующее аккумулированию газов на электродах.
Параллельно с разработкой и совершенствованием свинцово-кислотных батарей велась работа и над построением «влажных» элементов Лекланше и их преемников угольно-цинковых аккумуляторов, предложенных в 1888 году Карлом Гасснером и использующихся вплоть до сегодняшнего дня.
В течение длительного периода времени аккумуляторы, электрохимия и все, что было связано с использованием кислых сред, пластин и гальванического электричества будоражило умы исключительно ограниченного круга – ученых, физиков, химиков и врачей. Ситуация кардинально изменилась с появлением в 1827 году динамо-машины – первого электрического генератора постоянного тока. Эволюция генераторов, в свою очередь, подталкивала развитие аккумуляторов и батарей. Узкопрофильные опыты Вольта наконец начали получать промышленное применение.
Промышленная эра аккумуляторов
В 1896 году на территории США, в штате Колумбия открывается компания National Carbon Company (NCC). NCC становится первым предприятием специализацией которого становится серийное производство сухих элементов и батарей. В последующие сто лет Национальную Угольную компанию ждет две стадии ребрендинга: сперва NCC станет Eveready, а сегодня мы знаем ее под именем Energizer.
Предложенный Фором метод заполнения пластин в течение продолжительного времени будет являться основой для построения практически любого типа аккумулятора. В поисках альтернативы морально устаревшему (еще по меркам конца XIX века) свинцово-кислотному аккумулятору и попытках решить две основных проблемы этого некогда революционного источника питания (огромный размер и малоэффективная емкость), в 1901 году легендарный изобретатель Томас Эдисон и Вальдмар Юнгнер одновременно патентуют несвинцовый тип батарей: никель-кадмиевых и никель-железных.
Батарея Юнгнера состояла из положительной пластины, изготовленной из никеля. В качестве отрицательной использовался лист кадмия. Значительное повышение емкости, многократное снижение веса и неприхотливость к регулярности подзарядки не смогли выдержать практического применения в связи с дороговизной процесса изготовления никель-кадмиемых аккумуляторов. Достойной заменой стал предложенный Эдисоном никель-железный элемент, который получил имя щелочного аккумулятора.
Развитие эры электричества, появление мощных промышленных генераторов, трансформаторов и глобальная электрификация приводит к резкому росту популярности портативных элементов питания. Щелочные батареи начинают использовать в корабле- и машиностроении, в транспорте и на электростанциях. На улицах появляются первые электромобили, а конструкторы уже успели сформировать принципы построения аккумуляторных батарей с различным вольтажом.
В поисках идеального корпуса
Опыты с электричеством и попытки построения первых батарей нераздельно были связаны с использованием кислоты или кислой водной среды. Любая жидкость для успешного проведения эксперимента требует соответствующий сосуд, а сбор аккумулятора – свой собственный корпус.
В течение продолжительного времени корпус аккумуляторов изготавливался из дерева. Увы, реакции, происходящие в моменты окисления электродов, и кислотная среда батарей приводили к быстрому разрушению органической оболочки. Дерево заменяют на эбонит – каучук с большим содержанием серы, обладающий высокими электроизоляционными свойствами.
Общепринятым стандартом, использующимся при построении составных аккумуляторов начала XX века, было формирование батареи из нескольких элементов, рабочее напряжение которого составляло 2,2 вольта. Первые «пальчиковые батареи» появились еще в далеком 1907 году. С тех пор внешне они мало в чем изменились. Аккумулятор с напряжением в 6 вольт (три элемента по 2,2 В) оставался эталонным при производстве автомобилей вплоть до начала 50-х годов. Элементы на 12 и 24 Вольта имели более узкую специализацию. В первой половине прошлого века об эстетике в машиностроении никто не задумывался, поэтому любой аккумулятор выглядел весьма неряшливо. Эбонитовый корпус с напичканными элементами и грубыми торчащими перемычками намертво заливался мастикой.
Изобретение немецких ученых Шлехта и Аккермана и демонстрация в 1932 году процесса изготовления прессованных пластин для аккумуляторов не могло не повлиять на внешний вид батарей. В 1941 году в производство корпусов вмешивается австрийская компания Baren, проводившая серию экспериментов по разработке синтетических материалов. Через шесть лет француз Нойман предлагает конструкцию герметичного никель-кадмиевого аккумулятора. Параллельно с этим вся промышленность переходит на батареи с напряжением в 12 вольт, а синтетически полученный американской компанией Johnson Controls полипропилен становится основой для изготовления корпуса любых аккумуляторов. Они стали легче, практичнее, перестали бояться ударов и строгих ограничений при подзарядке.
Настоящее и обозримое будущее
Дальнейшее развитие индустрии аккумуляторных батарей движется настолько стремительно, что проследить за той чередой открытий, которые пришлись на последние пятьдесят лет практически невозможно. На сегодняшний день существует более 30 разновидностей аккумуляторов при построении которых используются два различных электрода, чем и определяется их название: никель-цинковые, литий-титанатные, цинк-хлорные. Среди этого обилия в быту мы сталкиваемся лишь с несколькими.
Причина, по которой мобильные устройства начали свою стремительную эволюцию лишь с начала 90-х годов XX века и за последние 35 лет превратились из громоздких и неповоротливых «чемоданов» в ультракомпактные плоские коробочки, кроется именно в элементах питания.
В 1991 году компания Sony выпускает первый литий-ионный аккумулятор. Этот тип портативных батарей пришел на смену некогда широко использовавшимся никель-кадмиевым (Ni-Cd) и никель-металлгидридным (Ni-MH), изобретенных еще в начале прошлого века.
Литий-ионные аккумуляторы имеют целый ряд преимуществ: они заряжаются на порядок быстрее никелевых, имеют более продолжительный срок эксплуатации и большой запас емкости. Li-ion-аккумуляторы получили широкое распространение в сфере портативной электроники, а предложенные инженерами решения позволили не только значительно увеличить максимальные токи разряда, сделавшие возможным использование этого типа аккумуляторов и в среде мощного оборудования, но и обеспечить внушительный рост емкости.
Несмотря на то, что сегодня мы ощущаем некое отсутствие прорыва в области портативных аккумуляторов, вынуждены ежедневно подзаряжать мобильные устройства и жить в режиме «от розетки к розетке», на сложившую ситуацию можно посмотреть и с более положительной стороны.
Одним из главных двигателей прогресса всей индустрии аккумуляторов стали попытки построения электротранспорта в начале позапрошлого столетия. Не стоит забывать, что электромобиль создан значительно раньше двигателя внутреннего сгорания. Внушительные по размеру тяжеловесные свинцово-кислотные батареи продолжают обеспечивать работу троллейбусов, трамваев, электропогрузчиков и тягачей. Бытовые инструменты с никель-кадмиевых элементов постепенно переходят на литий-ионные и литий-полимерные.
Прорыв в сфере использования литиевых аккумуляторов осуществила и компания Tesla, запустившая производство собственной линейки электроавтомобилей (читайте в статье «Революционер индустрии. История компании Tesla»). В конце апреля 2015 года Tesla представила и аккумуляторы для дома – решение для обеспечения автономности за счет получения энергии через солнечные панели. О целесообразности и эффективности данного решения мы поговорим в следующей статье, а пока нам остается надеяться на скорейшее развитие графеновых аккумуляторов. Аккумуляторов, которые уже сегодня называют «убийцами литий-ионного чуда», способных за 8 минут подарить владельцу автомобиля 1000 километров пробега. Увы, эта страница истории пишется в настоящее время. Но долгожданный технологический прорыв близок как никогда.
Эволюция аккумуляторов: ну когда же мы забудем про розетки?
Первый мобильный телефон, который можно было носить с собой, а не возить на машине, был представлен компанией Motorola в 1983 году. Аппарат весил почти килограмм, и умел только совершать звонки. Нынешние смартфоны — полноценные карманные компьютеры, и «телефонные» функции в них постепенно утрачивают актуальность. Прогресс в этой области очевиден, но мало кто задумывается, что не меньший эволюционный путь проделали и батареи мобильных устройств.
О единицах измерения
Прежде всего стоит пояснить используемые в статье единицы измерения. Большинство из нас привыкло измерять энергию мобильных батарей в ампер-часах (Ач). Это значит, что аккумулятор ёмкостью в 1 Ач или 1000 мАч сможет обеспечить питание с силой тока в 1 ампер в течение часа. Однако такая единица измерения не учитывает другой важный параметр — напряжение, которое в зависимости от модели аккумулятора может быть разным. Поэтому, для сравнения аккумуляторов правильнее использовать ватт-часы (Втч): батарея ёмкостью в 1 Втч (1 А*В*ч) сможет выдавать мощность в 1 ватт в течение часа.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы
Motorola DynaTAC, несмотря на свою мобильность, был слишком большим и тяжёлым, чтобы носить его в кармане. Телефоны линейки Motorola MicroTAC 1989 года в карман уже помещались. Первые модели MicroTAC были оснащены никель-кадмиевыми аккумуляторами, которые могли обеспечить устройствам до 90 минут работы в режиме разговора.
Катод в никель-кадмиевых аккумуляторах выполняется из никельсодержащих соединений с добавлением графитового порошка, анод — из кадмийсодержащих соединений, а электролит — из смеси гидроксидов калия и лития.
Никель-кадмиевые батареи имеют ряд достоинств: большой ток заряда (и, как следствие, небольшое время полной зарядки), большой ресурс (несколько тысяч циклов), возможность работы в широком диапазоне температур, а также им не страшен глубокий разряд. Однако они имеют сравнительно небольшую удельную ёмкость (ёмкость на единицу массы) — 45-65 Втч/кг и высокий саморазряд, около 10% ёмкости в месяц. Кроме того, такой тип батарей подвержен эффекту памяти: при зарядке не до конца разряженного аккумулятора его напряжение снижается, что интерпретируется большинством контроллеров заряда, как потеря ёмкости. Эти недостатки привели к тому, что вскоре производители телефонов перешли на более совершенный тип аккумуляторов.
Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы
В аккумуляторах такого типа катод сделан из оксида никеля, анод — из гидридов различных металлов (обычно никеля и лантана, или никеля и лития), а электролит — из гидроксида калия.
Смартфоны с Ni-MH аккумуляторами продолжали выпускаться вплоть до конца XX века. К тому времени время автономной работы устройств выросло, но всё равно не слишком впечатляло. Выпущенный в 1999 году Siemens C25 имел аккумулятор ёмкостью 2,34 Втч и мог проработать около 5 часов в режиме разговора, в то время как легендарная Nokia 3310, появившаяся в 2000 году, несмотря на большую батарею ёмкостью 3,24 Втч, могла продержаться всего около 3-4 часов.
Впрочем, Nokia 3310 выпускалась с Ni-MH аккумуляторами сравнительно недолго: новые ревизии этой модели поставлялись уже с литий-ионными батареями.
Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы
Литий-ионные аккумуляторы были впервые выпущены компанией Sony в 1991 году. Благодаря своим сбалансированным качествам они остаются самым популярным типом батарей в мобильных устройствах по сей день.
В качестве анода и катода в литий-ионных аккумуляторов применяются алюминиевая и медная фольга соответственно, покрытые различными материалами. Переносчиками заряда выступают ионы лития. В первых литий-ионных аккумуляторах в качестве материала анода использовался литий, который при частом заряде-разряде приводил к росту губкообразных структур из этого металла — дендритов. Это могло привести к замыканию электродов, что вызывало взрывы и возгорания. Проблему удалось решить путём применения вместо лития графита. Что касается материала катода, то сейчас в батареях для портативной техники в качестве него применяются соединения лития, марганца и кислорода, а также кобальтат лития.
Одним из первых телефонов, использовавших литий-ионные аккумуляторы, был Motorola MicroTAC 8700, в котором батарейки такого типа предлагались в качестве дополнительной опции вместо стандартных никель-металл-гидридных. Читая эту статью, можно подумать, что кроме Motorola других производителей телефонов в то время не существовало, и это недалеко от истины: компания была лидером рынка и, вполне естественно, одной из первых внедряла новые технологии. MicroTAC 8700 был выпущен в 1996 году и в режиме разговора мог проработать около 3,5 часов. Типичная ёмкость аккумуляторов того времени составляла 700-800 мАч, а их удельная ёмкость была всего около 100 Втч/кг.
Начиная с 2001 года использование литий-ионных аккумуляторов становится массовым, а другие типы отходят на второй план. Время автономной работы устройств с литий-ионными аккумуляторами было уже заметно более долгим: Ericsson T68 с батареей на 3,42 Втч мог проработать в режиме разговора до 11 часов, а Motorola RAZR V3 с аккумулятором на 2,52 Втч — до 7 часов.
Уже тогда стали появляться телефоны, «заточенные» под длительную автономную работу. Модель Philips [email protected] из линейки Xenium, существующей и поныне, имела батарейку ёмкостью 3,1 Втч. Время работы в режиме разговора было типичным для того времени — около 7,5 часов, но в режиме ожидания телефон мог продержаться до месяца. Для сравнения, Ericsson T68 «жил» всего 12 дней.
Примерно в это же время стали распространяться КПК на операционных системах PalmOS и Pocket PC (которая впоследствии была переименована в Windows Mobile). Первым КПК компании Palm со встроенным аккумулятором стал Palm V с литий-ионной батареей ёмкостью 2,4 Втч. По отзывам пользователей того времени, заряжать гаджет требовалось всего раз в 5 дней при достаточно активном использовании. В продажу гаджет вышел в 1999 году.
Сравнительно большой срок автономной работы был обусловлен использованием в устройствах монохромных экранов и достаточно слабой по современным меркам начинки. К примеру, КПК Tungsten T3, который появился в 2003 году, имел уже довольно мощный процессор и цветной дисплей, и его аккумулятора ёмкостью 3,7 Втч хватало лишь на 3,5 часа сёрфинга при использовании Bluetooth-подключения к телефону.
Этот недостаток был исправлен в выпущенном в 2004 году Tungsten T5, ёмкость батареи которого составляла уже 5 Втч, а автономная работа при непрерывном использовании — около 5 часов. Но и этого было явно недостаточно, из-за чего многие владельцы таких устройств пользовались программами для понижения частоты процессора, которые позволяли на несколько часов продлить время их работы.
Немногим лучше обстояли дела у КПК под управлением мобильной ОС от Microsoft, например, Compaq iPAQ 3760 на Pocket PC 2002. Аппарат появился в 2001 году и, хотя имел аккумулятор всего на 3,5 Втч, мог проработать при непрерывном использовании до 7 часов.
Одним из первых коммуникаторов на платформе Microsoft стал Qtek 1020, также известный как HTC Wallaby. Устройство было выпущено в 2002 году и работало под управлением Pocket PC 2002, а ёмкость его аккумулятора составляла 5,55 Втч. В режиме разговора аппарат работал сравнительно немного — 3,5 часа, но это была плата за широкие функции карманного компьютера.
Одним из наиболее популярных коммуникаторов своё время стал выпускаемый под множеством брендов HTC Universal с физической QWERTY-клавиатурой. Он получил батарею на 6 Втч, которая позволяла аппарату работать в режиме разговора до 8 часов. Аппарат был выпущен в 2005 году и работал на ОС Windows Mobile 5.0.
Что касается коммуникаторов на PalmOS (к тому времени уже пятой версии), то типичный представитель этого семейства, выпущенный в 2006 году Palm Treo 700p, имел батарею на 6,66 Втч. В режиме разговора этот гаджет мог проработать около 4,5 часов.
Коммуникаторами раньше называли и устройства на незаслуженно забытой сегодня платформе Symbian OS. Выпущенная в 2006 году Nokia N73 на Symbian OS 9.1 имела аккумулятор ёмкостью 4 Втч и в режиме разговора работала до 6 часов.
Упомянем и ныне почти забытый класс UMPC — компактных компьютеров (диагональ экрана 5-7 дюймов) под управлением настольных операционных систем. Яркий пример — Sony Vaio VGN-UX91 под управлением Windows Vista. Гаджет имел аккумулятор на 19,24 Втч и мог проработать автономно около 3,5 часов. Для сравнения, в современных ультрабуках ёмкость батарей может составлять 54 Втч и выше.
Современные литий-ионные аккумуляторы имеют удельную ёмкость до 240 Втч/кг, срок службы около 600 циклов и имеют минимальный саморазряд — около 3% в месяц. Впрочем, хранить такие батареи следует заряженными не более, чем наполовину, иначе это приведёт к сокращению их срока службы. В настоящее время в смартфонах используются литий-ионные аккумуляторы ёмкостью до 12,2 Втч и выше. Например, Samsung Galaxy S6 с аккумулятором на 9,4 Втч способен проработать в режиме разговора около 17 часов.
Современную историю смартфонов можно отсчитывать с 2007 года, когда появился Apple iPhone, ставший первым массовым телефоном с ёмкостным экраном. Он имел литий-полимерный аккумулятор ёмкостью 5,18 Втч и работал в режиме разговора до 8 часов.
Чтобы достичь текущих 17-20 часов автономной работы в режиме разговора, потребовалось около 7 лет. К примеру, iPhone 4 с батарейкой на 5,3 Втч мог проработать при таком использовании уже 14 часов в сетях 2G и 7 часов в сетях 3G. Чуть большее время работы имел его ближайший конкурент, Samsung Galaxy S с аккумулятором на 5,55 Втч — 15,5 часов в сетях 2G и 7,5 часов в сетях 3G.
Несмотря на то, что автономность смартфонов (по крайней мере, в режиме разговора) постоянно увеличивалась, то для планшетов планка в 10 часов работы при практически любом режиме использования была задана компанией Apple ещё при выпуске первой модели iPad. С тех пор, большинство качественных планшетов крупных компаний имеют примерно одинаковую автономность.
Несмотря на впечатляющее время работы в режиме разговора, при смешанном использовании современные смартфоны редко живут больше одного-двух дней. Из-за этого некоторые производители выпускают устройства с аккумуляторами огромной по меркам этого класса устройств ёмкости. Один из примеров — Philips Xenium V526 с батареей на 18,5 Втч, который может работать до 47 дней в режиме ожидания или до 28 часов разговоров. Смартфон был выпущен в 2015 году и работает на Android 5.1.
Долгое время считалось, что литий-ионные аккумуляторы не подвержены эффекту памяти, но в 2013 учёные обнаружили, что он всё же может наблюдаться при большом количестве частых циклов неполного разряда и заряда. Причина кроется в захвате части ионов лития на поверхности катода, которые мешают другим ионам переносить заряд внутри батареи. Кроме того, литий-ионным аккумуляторам противопоказан глубокий разряд, который может полностью вывести батарею из строя.
Литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы
По своей конструкции литий-полимерные аккумуляторы похожи на литий-ионные, но в качестве электролита в них используются полимерные материалы, способные проводить ионы лития. Преимуществом такой конструкции стала возможность делать аккумуляторы любой формы, включая гибкие, отсутствие эффекта памяти, а также немного более высокая удельная ёмкость.
Штатные недостатки литий-ионных аккумуляторов характерны и для литий-полимерных — сравнительно небольшой срок службы и нетерпимость к глубокому разряду.
Достоверно неизвестно, в каком смартфоне и телефоне был впервые использован литий-полимерный аккумулятор, но одной из первых компаний, применившей в массовом смартфоне аккумулятор нестандартной формы стала LG. Южнокорейскому производителю удалось уместить в сравнительно небольшой корпус смартфона LG G2 батарею ёмкостью 11,4 Втч.
Но если рынок смартфонов литий-полимерные аккумуляторы всё ещё продолжают завоёвывать, то среди таких устройств, как квадрокоптеры, они, фактически, стали стандартом благодаря высокой удёльной ёмкости. К примеру, популярный коптер DJI Phantom 3 имеет съёмную батарею ёмкостью 68 Втч, которая обеспечивает ему около 23 минут полёта.
Технологии заряда
Со временем развивались не только аккумуляторы, но и технологии их заряда. Раньше аккумуляторы не были приспособлены для заряда большими токами, поэтому в большинстве зарядных устройств использовалось напряжение 5 вольт и сила тока в 0,5 ампер. За последние несколько лет эти параметры постепенно увеличивались, и главная заслуга в продвижении быстрой зарядки принадлежит, пожалуй, компании Qualcomm. Её технология Quick Charge 3.0 использует напряжение до 20 В и силу тока до 3 А (эти параметры могут изменяться в процессе заряда для достижения лучших результатов и сохранения срока службы батареи). Мощность зарядных устройств с поддержкой Quick Charge 3.0 составляет 18 ватт, что позволяет полностью зарядить типичный аккумулятор для смартфона менее, чем за час. В то время как эта технология только готовится появиться на рынке в 2016 году, Quick Charge 2.0 уже успешно применяется в таких смартфонах, как LG G4, Samsung Galaxy S6 и Note 5, HTC One M9, Sony Xperia Z5 и YotaPhone 2.
Помимо быстрой зарядки, сравнительно недавно появились и технологии беспроводной зарядки. Один из самых распространённых стандартов сегодня — Qi. Его работа основана на передаче энергии на небольшое расстояние (до четырёх сантиметров) между двумя катушками посредством электромагнитной индукции. Помимо передачи энергии стандарт предусматривает обмен информацией между мобильным устройством и базовой станцией — для определения наилучших параметров зарядки и положения гаджета относительно базовой станции. Беспроводная зарядка тоже может быть быстрой: если первые Qi-совместимые устройства получали от базовой станции силу тока 400-600 мА, то теперь она может быть более 1000 мА. Подобная технология используется в последних смартфонах Samsung, и может полностью зарядить смартфон менее чем за два часа.
Будущее аккумуляторов
Несмотря на то, что за 30 лет аккумуляторы мобильных устройств серьёзно улучшились, ещё многое предстоит совершенствовать. В настоящее время ведутся исследования сразу по нескольким направлениям: увеличению скорости заряда, срока службы и удельной ёмкости.
Одна из наиболее перспективных разработок — алюминий-ионный (Al-Ion) аккумулятор, предложенный учёными Стэнфордского университета. В качестве катода в таких батареях будет использован графит, а в качестве анода — алюминий. Два ключевых преимущества нового типа аккумуляторов — большой ресурс (не менее 7500 циклов без потери ёмкости) и возможность заряда очень высокими токами, что в теории позволит заряжать гаджеты за несколько секунд.
Другой тип аккумуляторов, работоспособность которых уже подтверждена научными исследованиями — литий-воздушные. Принцип работы таких батарей заключается в выделении энергии в процессе окисления лития кислородом, который берётся из обычного воздуха. Литий-воздушные батареи имеют огромную удельную ёмкость — более 500 Втч/кг, но первые образцы не работали более 10 циклов. Дело в том, что при разряде аккумулятора кроме основного продукта реакции — оксида лития, который восстанавливается до кислорода и металлического лития в процессе заряда — образовывался и побочный продукт, карбид лития. Причиной этого было применение графитового анода, подобно литий-ионным батареям. Пару лет назад проблему удалось решить, заменив графит на карбид титана: теперь литий-воздушные аккумуляторы могут проработать 100 циклов, потеряв всего около 2% изначальной ёмкости. Сейчас учёные продолжают вести работу над увеличением срока службы и рабочего диапазона температур для таких батарей.
Наверное, не стоит ждать, что в следующем году или даже через год случится революция в мире аккумуляторов, но вот чего ожидать точно стоит — постепенного улучшения их параметров, а, значит, и увеличения времени работы наших гаджетов.