Baterie telefonów pod lupą - jak działają i dlaczego są tak ograniczone

Smartfonom szybko kończy się prąd, bo energii dostarczają im takie same ogniwa jak zwykłym telefonom sprzed kilku lat. Dlaczego tak się dzieje i jak długo będziemy musieli czekać na rewolucję?

Nowoczesny smartfon łączy cechy klasycznego telefonu, aparatu fotograficznego, nawigacji GPS, komputera z dostępem do internetu, dyktafonu, a nawet latarki, jednocześnie bez trudu mieszcząc się w każdej kieszeni. Jest jednak jeden problem - smartfon nierzadko zawodzi, i to dokładnie w chwili, kiedy najbardziej go potrzebujemy.

Nawet w pełni sprawne urządzenie na niewiele się przyda, gdy brakuje mu prądu - a energia zgromadzona w baterii wyczerpuje się zatrważająco szybko. Kiedy po raz kolejny już wczesnym popołudniem orientujemy się, że nasz telefon nie działa, chociaż ładowaliśmy go całą noc, tęsknie wspominamy nie tak przecież odległe czasy, kiedy przeciętna komórka wytrzymywała bez ładowania nie tylko cały dzień, ale dużo, dużo dłużej. Weźmy na przykład Nokię 6310i, do dziś uchodzącą za jeden z najlepszych telefonów biznesowych, której sprzedaż ruszyła w 2002 roku. Montowano w niej akumulator o pojemności 1100 mAh, który wystarczał na co najmniej tydzień normalnego użytkowania. Baterie dzisiejszych topowych smartfonów, takich jak HTC One czy Samsung Galaxy S4, mają pojemność około 2500 mAh, jednak nawet przy bardzo oszczędnym korzystaniu z ich funkcji energia kończy się najpóźniej trzeciego dnia.

To cena, jaką płacimy za nowoczesne podzespoły. Podczas gdy użytkownik klasycznej Nokii miał do dyspozycji monochromatyczny wyświetlacz o rozdzielczości 96×65 pikseli oraz sprzętową klawiaturę, dzisiejsze telefony dumnie prezentują kolorowe panele dotykowe Full HD. Szybki dostęp do internetu? Smartfony łączą się z sieciami 3G a nawet LTE, podczas gdy w czasach Nokii 6310i nowoczesnymi rozwiązaniami były technologie WAP i GPRS. Interfejsy bezprzewodowe? WLAN i Bluetooth, a we flagowcach również NFC, to dziś standard – Nokia 6310i miała co prawda moduł Bluetooth, ale poza nim oferowała tylko interfejs podczerwieni IrDA. Pod względem mocy obliczeniowej dzisiejszym smartfonom bliżej do pełnowymiarowych komputerów niż do klasycznych telefonów z ubiegłej dekady.

Oprócz wyposażenia telefonów zmienił się również sposób, w jaki z nich korzystamy. Smartfonu nie bierzemy do ręki tylko wtedy, gdy chcemy zadzwonić czy wysłać SMS-a, lecz używamy go praktycznie przez cały czas: sprawdzamy pocztę elektroniczną, odwiedzamy Facebooka, tworzymy notatki, szukamy drogi... Oznacza to, że stosunkowo krótko działa w trybie czuwania, za to przez długi czas jego podzespoły pracują z maksymalną mocą, a duży ekran, będący najważniejszym odbiornikiem energii, wciąż musi być podświetlany. Wszystko to sprawia, że smartfony potrzebują do pracy znacznie więcej prądu niż ich poprzednicy – problem w tym, że konstrukcja akumulatorów stosowanych urządzeniach mobilnych pozostała praktycznie niezmieniona.

Wszystkie ładowalne akumulatory składają się z tzw. ogniw galwanicznych drugiego rodzaju, nazywanych też ogniwami odwracalnymi. Choć istnieje wiele rodzajów takich ogniw, wykazujących różne właściwości, to w gruncie rzeczy wszystkie one działają na tej samej zasadzie. Ich najważniejszymi elementami są dwie elektrody o różnych potencjałach elektrycznych zanurzone w elektrolicie, na których w trakcie rozładowywania i ładowania ogniwa zachodzą odwracalne reakcje utleniania i redukcji substancji donorowej. W wyniku jej rozkładu podczas pracy ogniwa uwalniane są elektrony – nośniki prądu elektrycznego – które pod wpływem różnicy potencjałów między elektrodami przepływają przez podłączony odbiornik, zasilając go. Charakterystyka ogniwa zależy w głównej mierze od doboru materiałów elektrodowych oraz składu chemicznego elektrolitu, a dopiero w dalszej kolejności od jego konstrukcji. Każdy rodzaj ogniwa, a więc każdy układ chemiczny wykorzystany do jego budowy, cechuje się określonym napięciem, zaś pojemność jest
wprost proporcjonalna do mas substancji elektrodowych między którymi następuje przepływ elektronów. Ogniwa tego samego typu i o tej samej pojemności można łączyć zarówno szeregowo, jak i równolegle. W ten sposób buduje się odpowiednio akumulatory o pojemności pojedynczego ogniwa i napięciu odpowiadającym sumie napięć cząstkowych.

Anoda, czyli elektroda, na której w trakcie działania ogniwa zachodzą reakcje utleniania, jest wykonana z grafitu złożonego z warstw pojedynczych atomów węgla – między nimi są rozmieszczone atomy litu. Stosuje się takie rozwiązanie, ponieważ struktura anody wykonanej z czystego litu nie byłaby prawidłowo odtwarzana podczas ładowania ogniwa. Pojemność ogniwa z taką anodą znacznie zmniejszyłaby się już po niewielkiej liczbie cykli pracy. W formie matrycy jest wykonana również katoda – elektroda, na której w trakcie rozładowywania ogniwa zachodzą reakcje redukcji. Nie jest ona jednak zbudowana z grafitu, lecz najczęściej z tlenku któregoś z metali przejściowych, na przykład tytanu, manganu, żelaza, niklu, miedzi czy cynku. W naładowanym ogniwie przestrzenie między warstwami matrycy katodowej są puste. Pomiędzy elektrodami występuje różnica potencjałów elektrycznych.

Po połączeniu ogniwa z odbiornikiem prądu i zamknięciu obwodu elektrycznego różnica potencjałów między elektrodami powoduje zainicjowanie reakcji utleniania na anodzie. W jej wyniku atomy litu ulegają rozbiciu na dodatnie jony litowe oraz elektrony. Uwolnione elektrony przemieszczają się od anody do katody aż do momentu wyrównania potencjałów. Ponieważ elektrolit i fizyczna przegroda oddzielająca elektrody (niepokazana na ilustracjach) blokują przepływ elektronów bezpośrednio przez ogniwo, zamiast tego przepływają one przez obwód elektryczny, zasilając swoją energią podłączony odbiornik. Ładunek ujemny elektronów gromadzących się na katodzie przyciąga uwolnione wcześniej na anodzie dodatnie jony litowe. Następuje reakcja redukcji, w wyniku której jony i elektrony łączą się, tworząc atomy litu w strukturze matrycy katodowej.

Ładowarka podłączona do ogniwa wymusza przepływ elektronów w odwrotnym kierunku niż podczas działania ogniwa. W efekcie następuje zamiana ról elektrod: lit związany w matrycy katodowej (po prawej) utlenia się, zaś na dawnej anodzie (po lewej) zachodzą reakcje redukcji litu. W ten sposób atomy litu wracają do wyjściowej lokalizacji. Poziom naładowania ogniwa jest proporcjonalny do ilości przemieszczonych atomów.

W miarę przepływu elektronów i jonów od anody do katody różnica potencjałów między elektrodami zmniejsza się. Kiedy prawie wszystkie atomy litu związane w strukturze anody zostaną przeniesione na katodę, reakcje chemiczne ustają i prąd w obwodzie przestaje płynąć. Wówczas ogniwo jest rozładowane, ale można je ponownie naładować. W przypadku jednorazowych baterii nie pozwala na to nieodwracalny charakter reakcji elektrodowych.

Ogniwa odwracalne nie są nowym wynalazkiem – zmieniają się jedynie stosowane w nich układy reagentów. Pierwsze takie ogniwo – kwasowo-ołowiowe (Pb/PbO2), wciąż stosowane w akumulatorach samochodowych – zbudował już w 1859 roku włoski fizyk Gaston Planté. Patent na ogniwa niklowo-kadmowe (Ni-Cd) – do niedawna używane w różnorodnych urządzeniach elektrycznych i produkowane choćby w formie popularnych paluszków – zgłosił 1899 roku Szwed Waldemar Jungner. Na opracowanie kolejnego rodzaju ogniw, które znalazłyby szersze zastosowanie, trzeba było czekać aż do lat 80. Wówczas ogniwa niklowo-kadmowe zaczęły być wypierane przez dwukrotnie pojemniejsze, a przy tym bardziej przyjazne dla środowiska akumulatory wodorkowe (Ni-MH). W tym samym czasie udało się też skonstruować pierwsze odwracalne ogniwa litowo-jonowe (Li-Ion) – to właśnie one, wraz z ogniwami litowo-polimerowymi (Li-Po) o bardzo podobnej konstrukcji, zasilają obecnie większość przenośnych urządzeń elektronicznych.

O tym, że akumulatory litowo-jonowe w ostatnich latach podbiły branżę elektroniki konsumenckiej, zadecydowała ich niewielka waga (lit będący materiałem anodowym jest najlżejszym metalem) i małe wymiary oraz wysoka gęstość energii, czyli pojemność przypadająca na jednostkę masy ogniwa. W sytuacji, kiedy akumulator jest często najcięższym elementem smartfonu, liczy się każdy zaoszczędzony gram. Oprócz tego, w odróżnieniu od używanych wcześniej akumulatorów wodorkowych, nie wykazują one efektu pamięci, dzięki czemu niecałkowite ładowanie i rozładowywanie nie wpływa negatywnie na ich pojemność i żywotność. Nie bez znaczenia jest również wysokie napięcie znamionowe (3,6 V), eliminujące potrzebę zasilania małych urządzeń elektronicznych większymi akumulatorami złożonymi z wielu ogniw. Akumulatory litowo-jonowe nie są jednak pozbawione wad. Przede wszystkim lit jest niezwykle reaktywny, dlatego produkcja, przechowywanie i eksploatacja ogniw zawierających ten pierwiastek wymaga zachowania ostrożności. Wystawienie
akumulatora na działanie wysokiej temperatury – na przykład pozostawienie telefonu w samochodzie w upalny dzień – lub uszkodzenie jego obudowy może wywołać jego zapłon, a nawet wybuch.

Profesor Andrzej Czerwiński, kierownik Pracowni Elektrochemicznych Źródeł Energii na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, podkreśla, że „lit jest najlżejszym metalem mogącym służyć jako dawca elektronów”. Z tego względu ciągle trwają badania mające na celu usprawnienie akumulatorów Li-Ion oraz Li-Po. Testuje się działanie różnych domieszek, modyfikuje się strukturę materiału czy pokrywa elektrody aktywnymi związkami poprawiającymi właściwości elektrochemiczne. Wszystkie te zmiany powodują, że z roku na rok pojemność akumulatorów litowo-jonowych lekko wzrasta, jednak możliwości ich dalszego udoskonalania są ograniczone. Wynika to ze wspomnianej wcześniej zależności między pojemnością ogniw danego typu a masą tworzących je reagentów: jeżeli sam układ chemiczny pozostaje bez zmian, to nawet najbardziej pomysłowe modyfikacje konstrukcyjne z reguły nie są w stanie podnieść gęstości energii w kilogramie masy ogniwa danego rodzaju bardziej niż o kilka procent.

Większe potencjalne korzyści mogłoby przynieść jedynie znaczne zagęszczenie rozmieszczenia atomów litu na anodzie, czyli zwiększenie masy reagentów przy niezmienionej objętości ogniwa. W obecnie produkowanych ogniwach atomy litu zajmują wolne przestrzenie w matrycy wykonanej z grafitu. Naukowcy szacują, że zastąpienie tego materiału krzemem, znacznie lepiej wiążącym lit, mogłoby nawet kilkukrotnie zwiększyć pojemność ogniw. Problem w tym, że struktura krzemowa w wyniku wprowadzenia do niej atomów litu, czyli naładowania ogniwa, znacznie zwiększa swoją objętość, by na powrót skurczyć się po ich oddaniu. Powoduje to bardzo szybkie zużycie anody, jak również nieakceptowalne pęcznienie całego ogniwa. Z tego względu zastosowanie krzemu jako jedynego materiału matrycy jest mało prawdopodobne. Większe szanse na realizację mają pomysły zakładające wzmocnienie krzemowych struktur szkieletem wykonanym na przykład ze stali nierdzewnej czy węglowych nanorurek, zwiększającym ich sztywność. Wzrost gęstości energii możliwy
do uzyskania dzięki takiej konstrukcji anody byłby mniejszy, ale wciąż bardzo wyraźny.

Ze względu na trudności z przetwarzaniem litu, a także projektowaniem matryc anodowych, poszukuje się alternatywnego materiału donorowego. Liczącym się pretendentem do tej roli jest magnez. Projektowane między innymi przez Toyotę ogniwa magnezowo-jonowe konstrukcyjnie nie różnią się zbytnio od litowo-jonowych, jednak magnez jest znacznie tańszy od litu, a przy tym bezpieczniejszy. Zwolennicy rozwoju akumulatorów magnezowo-jonowych podkreślają też, że każdy atom magnezu może uwolnić nie jeden, ale dwa elektrony, więc teoretycznie umożliwia gromadzenie dwukrotnie większej ilości energii w ogniwie o tej samej objętości. Nie ma jednak róży bez kolców. Jak wyjaśnia prof. Czerwiński „magnez w porównaniu z litem jest cięższy: w przypadku litu jeden wolny elektron przypada na siedem jednostek masy atomowej materiału anodowego, w przypadku magnezu – na dwanaście jednostek”. Ogniwa magnezowo-jonowe mogłyby uzyskać przewagę nad litowo-jonowymi, gdyby udało się skonstruować działającą anodę zbudowaną z czystego magnezu.
Taka anoda mogłaby zapewnić większą gęstość energii w stosunku do masy w porównaniu z anodą litową, ponieważ nie zawierałaby materiału tworzącego matrycę, który zwiększa wagę ogniwa, nie uczestnicząc w reakcjach chemicznych.

Prof. Czerwiński pokłada największe nadzieje w ogniwach typu metal-powietrze, wykorzystujących do działania tlen zawarty w powietrzu i uwalniających go w trakcie ładowania. Materiałem anodowym w takich ogniwach mógłby być ponownie lit albo cynk. Dzięki zastąpieniu tradycyjnej katody lekką, porowatą strukturą miałyby one znacznie mniejszą wagę od ogniw wykorzystywanych obecnie, a osiągalna gęstość energii byłaby nawet pięciokrotnie większa. Najpierw jednak trzeba będzie przezwyciężyć przeszkody natury technicznej. Jedną z najpoważniejszych będzie opracowane membran przepuszczających do wnętrza ogniwa tlen zawarty w atmosferze, które jednocześnie zablokują przepływ pary wodnej czy innych zanieczyszczeń mogących negatywnie wpłynąć na przebiegające reakcje. Wyzwaniem jest również stworzenie powietrznej katody, która będzie w stanie przetrwać wiele cykli ładowania i rozładowywania bez znacznej utraty aktywności. Nie są to łatwe zadania i raczej nie zostaną zrealizowane w ciągu najbliższych pięciu lat, ale kiedy w
końcu się uda, doczekamy się upragnionego przełomu.

Na razie jesteśmy jednak skazani na akumulatory litowo-jonowe. Chcąc, by działały jak najdłużej, pamiętajmy o zasadach ich prawidłowej eksploatacji (przypominamy je poniżej). Gdy korzystamy z telefonu bardzo intensywnie, wybierajmy modele z wymienną baterią i zawsze miejmy pod ręką zapasowy pakiet. Pomocne są też banki energii, czyli zewnętrzne akumulatory, pozwalające doładować baterię dowolnego urządzenia, gdy nie mamy dostępu do gniazdka i typowej ładowarki. Co prawda banki energii nie są lekkie, a pojemniejsze modele kosztują nawet kilkaset złotych, lecz jeszcze długo pozostaną one jedynym sposobem na znaczne wydłużenie pracy urządzeń mobilnych. Telefony działające bez ładowania przez tydzień albo dwa szybko nie wrócą – chyba że wyciągniemy z szafy stary model służący wyłącznie do rozmów.

Akumulatory litowo-jonowe zasilające większość urządzeń mobilnych są bardzo pojemne i mają długą żywotność. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości, podczas eksploatacji pamiętajmy o kilku zasadach:

1. W odróżnieniu od starszych typów akumulatorów, np. wodorkowych, akumulatory litowo-jonowe nie mają efektu pamięci i nie wymagają, by rozładowywać je całkowicie i ładować tylko do pełna. Wykonajmy takie formatowanie przy pierwszym użyciu akumulatora, a później powtarzajmy jedynie co jakiś czas. Akumulatory li-ion dłużej zachowają pojemność, jeśli podczas eksploatacji będą często doładowywane i jak najczęściej utrzymywane w stanie naładowanym.

2. Akumulatory litowo-jonowe źle znoszą skrajne temperatury. Mróz może znacznie ograniczyć ich żywotność, zaś wystawione na długotrwałe działanie słońca mogą się nawet zapalić lub eksplodować.

3. Jeśli nie używamy akumulatora przez dłuższy czas, schowajmy go do lodówki – w temperaturze kilku stopni Celsjusza jego degradacja będzie postępowała wolniej. Ze względów bezpieczeństwa większe ilości akumulatorów litowo-jonowych należy przechowywać wyłącznie w stanie rozładowanym, gdyż lit jest wówczas związany w matrycy katodowej.

Polecamy w wydaniu internetowym chip.pl: LG zatrzymało linię produkcyjną ekranów OLED