[التكنولوجيا والمستقبل] البطارية ، احتياطي الطاقة من الهواتف الذكية لدينا

ECOVACS

بالنسبة لمعظم الإيطاليين ، يوم الأحد هو يوم راحة ، وهي مناسبة يمكن فيها للحظات نسيان المخاوف اليومية وتجميع الطاقة اللازمة لمواجهة أسبوع العمل التالي بأفضل طريقة ممكنة. هواتفنا الذكية ، في هذا الصدد ، لا تختلف كثيرًا عنا: فهي بحاجة أيضًا احتياطي الطاقة للعمل.

بعد التحدث إليكم عن شاشات العرض ومواد البناء ، لذلك ، سنخضع أخيرًا هذا الأسبوع لجسم محطاتنا وسنتحدث عن بطارية، العنصر الذي يعتني بتشغيل جميع الأجهزة المحمولة.

MEIZU لكل teardown-5 6

اليوم ، على وجه الخصوص ، سوف نرى ما مبادئ عمل خلايا قابلة لإعادة الشحن، سوف نركز على تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي ايونات الليثيوم وأخيرًا سنتحدث عن الأحداث الحالية أنظمة الشحن السريع. ومع ذلك ، سيكون المقال يوم الخميس المقبل ، كما هو معتاد ، مكرسًا للتقنيات الكيميائية التجريبية ، والمكثفات الفائقة والابتكارات التي ستحدث ثورة في مستقبلنا.

هيكل المجمع

تعتمد الشاشة وأجهزة الاستشعار والكاميرا والمعالج وجميع الدوائر الأخرى على إمكانية استخدام مصدر طاقة قادر على إرضاء أي ذروة استهلاك ، واستغلال فرق الجهد مستقر لكل طلب حالي. نظرًا لأن الهواتف الذكية يجب أن تكون قابلة للاستخدام في التنقل ، فلا يمكن أن تأتي هذه الطاقة دائمًا من الخارج (من خلال الكابلات المتصلة بشبكة الكهرباء الوطنية ، على سبيل المثال) ولكن يجب أن تكون كذلك القابل للتخزين داخل الأجهزة نفسها.

يمكن تلبية هذه الحاجة باستخدام الخلايا الكهروكيميائية أن (من خلال تفاعل الأكسدة والاختزال) يحول الطاقة الكيميائية الموجودة في المواد إلى كهرباء. إذا كان تفاعل التفريغ لا رجعة فيه ، فإن الخلية تسمى الأولية ، ولكن إذا كانت قابلة للعكس ، فإن الخلية تسمى ثانوي و القابلة لإعادة الشحن. نحن بالطبع مهتمون بهذا الأخير.

بطارية ثانوية

تتكون جميع الخلايا الكهروكيميائية من ثلاثة عناصر رئيسية:الأنود، و أشعة الكاثود و 'المنحل بالكهرباء. الأول (الذي أثناء التفريغ هو القطب السالب) هو القطب الذي يتأكسد عن طريق إطلاق الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية ، والثاني هوقطب موجب الذي يتم تقليله والثالث هو المادة التي يسمح للأيونات بالانتقال من قطب واحد إلى آخر.

يمكنك أن تتخيل العملية الكلية كمجموع للتفاعلين الكيميائيين اللذين يحدثان بشكل منفصل عند الأقطاب الكهربائية. إذا لاحظنا خلية بناءً على تبادل الأيونات الموجبة (مثل الليثيوم) ، على سبيل المثال ، فسنرى أن الأخيرة تتفاعل مع مواد الكاثود التي ، عن طريق محاصرةها ، يتقاضى بشكل إيجابي. من ناحية أخرى ، فإن الأنود يميل إلى ذلك الافراج عن الأيونات في المنحل بالكهرباء فرض سلبي.

تفريغ الليثيوم
https://sustainablenano.files.wordpress.com/2013/10/lithium-ion-battery-powering-device.png

هذه العملية ، إذا لم يتم توصيل الأقطاب الكهربائية ببعضها مع موصل كهربائي ، في مرحلة ما من شأنه إنشاء واحد في الخلية فرق الجهد ما يكفي منع الهجرة من الأيونات (المشحونة) وبالتالي لوقف التفاعلات. إذا تم إغلاق الدائرة كهربائيًا ، فإن إلكترونات الأنود سوف تتشكل تيار موجهة نحو الكاثود ويمكن أن تستأنف ردود الفعل اثنين مسارهم.

يمكن أن تكون الطاقة الكيميائية الموجودة في المواد الفعالة للخلية ، باستخدام هذا النظام صدر فقط عند الضرورة. لذلك ، فإن أجهزتنا متصلة كحمل لهذا المكون ، وبعبارة أخرى ، تستخدم التيار الكهربائي للعمل. في الخلايا الثانوية ، هذه الهجرة المعقدة للأيونات والإلكترونات هو عكسهاهذا ممكن إعادة الخلية إلى حالتها الأولية إجبار الإلكترونات على المسار العكسي (عبر فرق محتمل).

أخيرًا ، نحدد أن مصطلح البطارية حدد في الأصل مجموعة من عدة خلايا إلكتروليتية متصلة ببعضها البعض. ومع ذلك ، في اللغة الشائعة ، تُستخدم هذه الكلمة اليوم أيضًا بشكل غير صحيح للإشارة إلى الخلية المفردة. وبالتالي ، فإن البطاريات القلوية الأسطوانية وخلايا الأزرار ومراكم الهواتف الذكية هي بعض الأمثلة على "البطاريات" أحادية الخلية.

أيونات الليثيوم

مواد قليلة مناسبة لبناء البطاريات مثل الليثيوم. هذا المعدن لا يصدق سأقرأ، وقد أيونات إيجابية صغيرة جدًا (وبالتالي سريعون في هجراتهم بين قطب كهربائي وآخر) وله أ معيار أكسدة عالية المحتملة الذي يسمح للخلايا بأن تمتلك واحدة الجهد العالي جدا (عادة على فولت 3.7).

كل هذه الميزات تسمح لإنتاج بطاريات مع طاقة عالية محددة (ذات السعة العالية والوزن المنخفض) ومع كثافة طاقة جيدة، أي قادرة على الاستجابة للمطالب الحالية المطالب دون كسر والحفاظ على الجهد العالي.

الليثيوم المحفوظة في البارافين
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ae/Lithium_paraffin.jpg

منذ فترة طويلة يثبط إنتاج خلايا الليثيوم الكهروكيميائية ، على الرغم من هذه الصفات الممتازة نقص من هذا المعدن وتفاعله المذهل. الليثيوم النقي ، في الواقع ، هو التآكل جدا e من الصعب التعامل معها: التعرض البسيط للمعادن إلى الماء ، على سبيل المثال ، له نتائج كارثية (ينتج الهيدروجين ، الذي ينفجر على الفور!). تراكم التشعبات (من البلورات الدقيقة) النموذجية لبطاريات الليثيوم الأولى ، إذن ، كانت مشكلة خطيرة بالنسبة لمتوسط ​​العمر المتوقع لهذه المكونات.

وقد أدت هذه العيوب مع مرور الوقت إلى التخلي عن فكرة إنتاج البطاريات بمعدن الليثيوم ، ودفعت الشركات في هذا القطاع إلى التركيز على أقطاب جديدة قادرة على احتواء أيونات الليثيوم. لهذا الغرض ، أنا مركبات التقاطعوالمواد مستقر التي تقدم واحدة هيكل مفتوح قادر للترحيب بعكسه أيونات الليثيوم دون ضرر.

ونتيجة لذلك ، فإن عالم بطاريات الليثيوم - أيون كبير جدا ولديه الآن عدد كبير من الأنودات الممكنة ، والكاثودات والكهارل. تستخدم الخلايا الأكثر انتشارًا في مجال الهواتف الذكية كربون (في كثير من الأحيان على شكل الجرافيت) مثل الأنود ، أكاسيد المعادن (مثل LiCoO2 أو LiNiMnCoO2) للالكاثود ، والشوارد غير المائية. هذا الأخير ، إذن ، يمكن أن يعتمد على مذيبات عضوية وأملاح الليثيوم (مثل LiClO4 في كربونات البروبيلين) أو أغشية بوليميرية (في هذه الحالة نتحدث عن تراكم الليثيوم والبوليمر "LiPo").

lipo vs li ion

البطاريات مع المنحل بالكهرباء بوليمر ، على وجه الخصوص ، هي تلك اليوم أكثر انتشارا في المجال المحمول بفضلاستقرار عالية (أكثر آمن و تحمل المزيد من الدورات الشحن والتفريغ) وإمكانية ، غائبة في أولئك الذين لديهم إلكتروليت عضوي ، من التكيف مع أي شكل (الاستفادة القصوى من المساحة المتاحة) دون الحاجة إلى قشرة صلبة.

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون الأكثر شيوعًا ، بغض النظر عن الأقطاب الكهربائية والإلكتروليت المستخدمة ، على a انخفاض معدل التفريغ الذاتيعدد كبير من دورات التشغيل (من 500 إلى 2000 ، وفقًا للمكونات والاستخدام) والأخرى مقاومة داخلية منخفضة (أقصى ارتفاع التفريغ الحالي). ليس لديهم "تأثير الذاكرة"، وتستمر بالفعل لفترة أطول إذا تم تجنب دورات الشحن والتفريغ الكاملة.

بطاريات الليثيوم المسطحة
http://www.nature.com/nature/journal/v414/n6861/images/414359ad.2.jpg

انهم جميعا حساسة لدرجات الحرارة العالية وإذا كان مثقلاً ، فيمكنهم ذلك تضخم (لتبخير المنحل بالكهرباء) تفجر. عادة ما يتم حل العيب الأخير باستخدام ملف رقاقة التحكم والتي عادة ما تكون مصممة للحد من الحد الأقصى من التصريف وتوجيه الشحنات.

سوف نتحدث بمزيد من التفصيل أنواع مختلفة من القطب الموجب والسالب في المقال القادم الخميس، والتي سوف مقارنة خصائص المادة الكيميائية الحالية مع وعود من تلك التي يجري اختبارها.

شحن سريع

نمو استهلاك الهاتف الذكي وما يترتب عليه زيادة في متوسط ​​قدرة البطارية (ضروري لضمان الاستقلالية الكافية) قد وضعت ضغوطا على عملية الكلاسيكية من خلال الشحن معيار USB. نظرًا لأن كلا من التيار والجهد محددان مسبقًا ، في الواقع ، القوة والتي يمكن أن تنتقل من سلك الطاقة تم إصلاحه وللأسف ، غالبًا ما تكون غير كافية لسرعة الشحن.

من خلال كابل MicroUSB ، في الواقع ، وفقًا للمعيار (في إصدار Battery Charging 1.2) ، يمكن أن يتدفق أقصى تيار فقط 1.5 Ampere مع الجهد من 5 فولتللحصول على قوة نظرية 7.5 وات. هذا يعني أن الأمر يستغرق أكثر من تسعين دقيقة لإعادة شحن بطارية مفرغة بالكامل 3000 مللي أمبير في الساعة ، وحتى المزيد من الوقت إذا كنت تفكر في الحالة الحقيقية. في الواقع ، العوامل التي تؤثر على سرعة شحن محطاتنا عديدة وغالبًا ما تكون غير واضحة تمامًا.

Xiaomi Redmi 2 unboxing

على سبيل المثال ، تتوقع هواتفنا الذكية أن يحمل كابل الطاقة فولطية 5V ، وإذا كان هذا أقل من هذا الحد ، تقليل الامتصاص لتجنب إتلاف مصدر الطاقة. إذا كنت تستخدم كابل تالفة أو مؤكسدة أو طويلة، من ناحية أخرى ، سيتم إدخال واحد في النظام سقوط محتمل بسبب المقاومة غير القياسية للكابل نفسه ، والتي ، لا محالة ، سوف تقنع الهاتف الذكي لاستيعاب أقل الحالية من الشاحن يمكن أن توفر.

تتأثر سرعة الشحن أيضًا بشكل كبير بنوع المركم ومقدار الشحن. في الواقع ، يتم إعادة شحن بطاريات الليثيوم أيون أحادية الخلية (مثل تلك المستخدمة في الهواتف الذكية) على مرحلتين: تيار مستمر وهذا ل الجهد المستمر.

اتهمهم ايون
http://www.ibt-power.com/Battery_packs/Li_Ion/Li_Ion_ChrGph.JPG

أول واحد يستخدم مع خلية منخفضة وتتكون من حجب قيمة تيار الشحن مما يترك التوتر في ارتفاع ، بينما يستخدم الثاني لإكمال الرسوم ويتكون من وضع الأقطاب الكهربائية عند أقصى جهد تدعمه الخلية ، مما يترك التيار ينخفض ​​ببطء إلى الصفر. هذه المرحلة الثانية ، على وجه الخصوص ، هي بالتأكيد أبطأ من الأول ويشرح لماذا المراحل النهائية يتطلب الشحن دائمًا لمزيد من الوقت من الأولي.

وأخيرا ، هناك عامل آخر يؤثر على إعادة الشحن درجة الحرارة. إذا كانت بطارية الجهاز في أقل من الظروف الحرارية المثالية ، في الواقع ، الهاتف الذكي لدينا تقليل أو إيقاف عملية الشحن لا تخاطر بتدمير هذا المكون الذي لا غنى عنه ، كما رأينا ، خائف جدا من درجات الحرارة المرتفعة. يمكن أن يؤثر استخدام الهاتف الذكي أثناء الشحن (والتدفئة الناتجة عن ذلك) والظروف البيئية ، على وقت الشحن.

Aukey

والآن بعد أن رأينا ما هي بعض من العوائق الأكثر شيوعًا أمام الشحن السريع ، يمكننا تخمين أي جوانب من تقنيات الشحن السريع مثل المسؤول سريع من كوالكوم ه مضخة اكسبرس من Mediatek يمكن أن تعمل على تسريع هذه العملية.

النسخ الأولى من هذه التقنيات ، لذلك ، شاركت فيزيادة الطاقة القابلة للتحويل من خلال كابل USB مع زيادة الحد الأقصى للتيار الذي تم رفعه إلى 2A. وبما أن الطاقة التي تبددها تأثير جول هي خطية في المقاومة ولكنها تربيعية في التيار ، إلا أن الزيادة المفرطة في هذه الأخيرة ليست مستحسنة على الإطلاق ، وفي الإصدارات اللاحقة من هذه التقنيات تمت إضافتها ملامح مع ارتفاع التوتر.

مضخة صريحة
http://www.mediatek.com/AmazonS3/Features/EDM-PumpExpress-d10.jpg

لكي تكون هذه الملفات قابلة للاستخدام ، يجب على الشاحن والهاتف الذكي مشاركة نظام الشحن السريع ، وعلى وجه الخصوص ، يجب عليهم التواصل للاختيار الملف الأنسب. هذا أيضا يحل جزئيا الثاني من مشاكلنا ، وهي المقاومة الكهربائية للسلك ، والتي يمكن الآن تجاهلها جزئيا بفضل الاتصال المباشر بين امدادات الطاقة والجهاز.

الشحن السريع
https://blog.oxplot.com/media/quickcharge_2.0_spec.png

أخيرًا ، يتطلب استخدام نظام الشحن السريع اختيارات دقيقة في مرحلة بناء الجهاز. إذا كان من المفترض إعادة شحن خلايا الليثيوم أيون الشائعة في حوالي تسعين دقيقة ، في الواقع ، يجب أن تكون البطاريات المستخدمة في أجهزة الشحن السريع مختارة خصيصا لتحمل تيارات الشحن الأعلى دون التعرض للتلف. وهذا يفرض صرامة معينة في اختيار المنتجين ونوعية الخلية مع نتائج تكون في الغالب إيجابية بالنسبة للمستهلك.

ينتهي موعدنا يوم الأحد مع Technology and the Future هنا ، ولكن إذا كنت مهتمًا بمستقبل بطاريات الهواتف الذكية وتريد بعض المعلومات حول تقنيات الشحن اللاسلكي ، فلا تفوّت المقالة التالية يوم الخميس!