Что внутри аккумулятора телефона (литий-ионной батареи
При недавнем добавлении новых разделов сайта нашего интернет-магазина Neovolt.ru, посвящённых замене элементов питания на нашем производственном предприятии, появилась идея сделать простые схемы устройства аккумуляторов для иллюстрирования материалов.
Несложная с виду идея вылилась в многочасовую проверку возможных изобретений новых вариантов конструкций, в перелопачивание тонны публикаций на BatteryUniversity, в общение с экспертами и инженерами на Quora и в Reddit по материалам в сепараторах и проводниках, чтобы ничего не упустить из внимания.
Получился огромный материал, который в дальнейшем пришлось сократить, иначе можно книгу написать. Результатом делимся с вами.
→ О принципах выбора ёмкости, определения ремонтопригодности, формы и размеров аккумулятора смартфона — в исследовании Карстена Шишке.
Батареи литий-ионного или литий-полимерного типа работают с помощью химических реакций, которые «отправляют» электроны и ионы с одного электрода на другой.
Вот, как всё выглядит, когда наш инженер разбирает внешнюю часть корпуса аккумулятора, например, Samsung Galaxy S9 или любого другого смартфона после извлечения из устройства.
Устройство аккумулятора телефона/смартфона:
(1) Соединительный элемент подключает аккумулятор к системной плате смартфона (в несъёмной конструкции) или к контактам на внешнем корпусе батареи (в съёмной конструкции).
- • Он может быть в виде многожильного провода (как на схеме) или в виде шлейфа.
- • Шлейф имеет гибкую (как у iPhone 6) или формованную (как у Galaxy S8 Plus) основу.
- • У соединительного кабеля чаще всего есть коннектор с несколькими контактами (от двух до пяти).
- • В редких старых или бюджетных смартфонах соединение с системной платой выполняется не через разъём, а методом пайки (у нас есть пример такого соединения в инструкции разборки iPod Touch 6).
(2) — Плата системы управления аккумулятором (Battery Management System, BMS).
На неё устанавливается логика работы батареи и предохранитель.
→ Узнайте, как устроена BMS-плата и все подробности по её функциональной роли в телефоне.
(3) и (4) — Положительный и отрицательные выводы питания для работы в электрической цепи.
(5) и (7) — Электродные материалы размещаются на тонкой металлической основе, напоминающей фольгу. Она собирает электроны и передаёт их из батареи к устройству.
Электроды не способны хранить много энергии в ограниченной зоне.
Поэтому нужны длинные скрутки таких полос, чтобы аккумулятор смог обеспечить смартфон необходимой энергией. Их количество и размеры влияют на конечную ёмкость и габариты батареи. Кстати, мы уже рассказывали, по какому принципу производители выбирают и проектируют аккумулятор в процессе разработки очередного смартфона.
(6) и (8) — Сепаратор препятствует электрической проводимости между электродными материалами (катодом и анодом) в пределах тока, который должен проходить через сепаратор в процессе движения ионов от катода к аноду (во время заряда) и обратно (во время разряда).
С превышением температуры (выше 130°C) материал плавится и закрывает поры во избежания дальнейшей катализации химической реакции и взрыва аккумулятора.
В большинстве смартфонов сепаратор однослойный из полиэтиленового материала, пропитанного электролитом.
Хотя последнее время в применение вошли сепараторы трёхслойной «гамбургерной» конструкции для более надёжной работы аккумулятора в условиях повышенной нагрузки:
- • Полипропилен (стойкость +155°C)
- • Полиэтилен (стойкость +130°C)
- • Полипропилен (стойкость +155°C)
(9) — Корпус аккумулятора представляет собой термостойкий материал с достаточной прочностью, чтобы выдерживать небольшие физические воздействия (например, от стягивания внутренних комплектующих смартфона).
В съёмной конструкции размещается в ударостойкую оболочку с контактной площадкой.
Это нужно для удобного и, главное, безопасного хранения вне мобильного устройства (из-за чего превышает габариты несъёмного аккумулятора аналогичных технических характеристик).
Может иметь разные виды материалов, выбор которых зависит от производителя.
Научно-популярные статьи
Вы помогаете наполнять базу знаний Neovolt без ошибок и упущений. Пишите в комментарии предложения, свои взгляды и замечания — мы их читаем все без исключения. Или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.
Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
Теги: База знаний Li-Ion Li-Poly Телефоны Смартфоны Планшеты Ноутбуки Технологии
Устройство батарейки
Батарейки используют уже давно, чтобы электронные устройства продолжали функционировать и без подключения к розетке. Эти изделия называют источниками электричества для автономного питания устройств. Первые батарейки именовались гальваническими элементами.
Что такое батарейка
В батарейках электричество возникает благодаря взаимодействию разных химических веществ. И принцип работы этих изделий легко можно отыскать в учебниках по физике. Все элементы собраны из одних и тех же частей.
Устройство батарейки
Устройство батарейки простое. Различия между разными типами батарей минимальны. В основе каждой конструкции имеются:
- Полюс положительный — анод.
- Полюс отрицательный — катод.
- Электролит.
Принцип работы батарейки
Как работает батарейка
Положительно заряженные частицы двигаются к отрицательным. Средой, где происходит данное движение, является электролит. Заряженные частицы образуются в процессе взаимодействия разных веществ. Весь принцип работы батарейки сводится к химической реакции.
Для прибора необходима нагрузка в виде лампочки или диода, в противном случае при контакте «плюса» и «минуса» может произойти короткое замыкание.
Если попытаться зарядить конструкцию, то это приведет к взрыву или течи.
Но ученым путем проб и ошибок удалось создать восполняемую батарею — аккумулятор.
Какие бывают батарейки
Батарейки в зависимости от «начинки» разделяются на несколько видов. Солевые конструкции намного дешевле щелочных. Их выпуском занимаются такие фирмы, как «Дюрасел», «Сони», «Тошиба». Они являются потомками марганцево-цинковых конструкций. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким уровнем потребления напряжения, таких как часы, электронные весы, пульты управления.
Наиболее известные производители батареек «Дюрасел», «Сони» и «Тошиба»
Существенным недостатком этих элементов является короткое время работы заряда. Они быстро расходуют свой ресурс. При длительном использовании элементы подобного типа начинают течь. При отрицательных температурах солевые конструкции не работают.
Щелочные устройства появились относительно недавно, в 60-х гг. прошлого века. Первыми их начала выпускать фирма «Дюрасел». Данный тип батарей более надежен и имеет большую мощность.
При длительном хранении в отличие от солевых батарей они не теряют свой заряд. На таких элементах всегда присутствует надпись «alkaline». Но и у них есть недостатки. Такие элементы более массивны. Их устанавливают в детских игрушках, радио, ночниках, иными словами, в приборах, потребляющих большое количество энергии. Еще один недостаток — высокая стоимость.
Третий вид ртутных изделий менее популярен, т.к. не получил широкого распространения в силу ряда причин. В первую очередь от их применения пришлось отказаться из-за вещества, за счет которого осуществляется их работа. Ртуть может нанести вред здоровью человека.
У этих элементов есть 1 существенное преимущество перед другими видами. Существует возможность их повторной зарядки, но даже это не повлияло на их востребованность. Плюсами этих элементов являются стабильная работа при низких температурах и длительные сроки хранения без утраты заряда.
Домашнее зарядное устройство для батареек
Наименее популярны серебряные элементы.
В состав их электродов входит серебро. За счет этого увеличивается срок службы, повышается энергетическая плотность и постоянное номинальное напряжение. Большим минусом является их высокая стоимость. Существенным плюсом — высокая емкость, которая во много раз превосходит подобный показатель у солевых и щелочных элементов питания.
Они одинаково хорошо работают и при высоких, и при низких температурах. Срок функционирования — достаточно велик по сравнению с другими типами элементов.
Литиевые конструкции были разработаны последними. Они объединили в себе самые лучшие свойства остальных типов батарей. Их можно эксплуатировать практически в любых условиях, имеется возможность их дальнейшей подзарядки.
Они являются самыми надежными элементами. Их рекомендуется использовать в приборах с большим энергопотреблением.
Различия устройства разных типов батареек
Элементы питания различаются не только по типу веществ, участвующих в образовании заряда. Разделяются батарейки на группы по своей форме и размерам.
По форме все элементы распределяются на 3 группы:
- Дисковые.
- Цилиндрические.
- Квадратные.
Дисковые батарейки являются наиболее востребованными.
Существуют 2 способа их маркировки: американская (менее распространена) и европейская (более привычна). Маркировка помогает точно подобрать необходимый для прибора элемент питания.
Цилиндрические батарейки
Цилиндрические батарейки
Самые маленькие изделия имеют маркировку — А23. Их называют мини-мизинчиковыми. Следующие, по списку — пальчиковые, их маркировка — АА. Потом следуют мизинчиковые — ААА. Редко для устройства могут понадобиться маленькие мизинчиковые — АААА.
Следующие 2 вида практически не используются: средняя — С и большая — D.
У цилиндрических устройств показатель напряжения доходит до 6V.
Квадратные батарейки
Квадратные батарейки
Самое большое напряжение выдают батарейки, имеющие квадратную форму, — до 9V. Но и этот тип почти не востребован.
На любом элементе питания обязательно указывается вид применяемого электролита. Размер каждого типа элемента питания может отличаться на 1-2 мм в зависимости от производителя.
Причина таких отличий кроется в толщине оболочки, которая используется для защиты от падения и неблагоприятных воздействий окружающей среды. Чаще всего на ней указывается название фирмы-производителя и маркировка.
Брендовые конструкции отличаются высоким качеством и имеют гарантию. На некоторых видах элементов питания есть особая маркировка — «rechargeable». Данная надпись означает, что элемент питания можно зарядить с помощью специального устройства.
Дисковые батарейки
Дисковые батарейки
Дисковые конструкции производят для совсем маленьких по размеру устройств. У них, как и у цилиндрических батареек, имеется своя система маркировки. Показатель напряжения у этого типа — до 3V.
Среди многообразия батареек, выбрать нужную достаточно сложно. В первую очередь необходимо ориентироваться на прибор, для которого приобретаются элементы питания.
Для мощных устройств нет смысла брать щелочные батареи, т.к. их заряд быстро закончится. В этом случае лучшее решение — литиевые. Их срок службы оправдывает высокую стоимость.
Кроме того, часто производители приборов в инструкции указывают, какой тип батареек подходит для их техники.
Купить аккумуляторы для вейпов и картриджей CCELL®
Никогда больше не беспокойтесь о сроке службы батареи.
ФильтрПоказаны все 37 результатов
Сортировать по популярностиСортировать по среднему рейтингуСортировать по последнимСортировать по цене: от низкой к высокойСортировать по цене: от высокой к низкойСортировать по популярностиСортировать по В продаже: Показать первымСортировать по избранным: Показать первымСортировать по названию: от А до ЯСортировать по названию: от Я до АСортировать по артикулу: от низкого до высокийСортировать по артикулу: от большего к меньшемуСортировать по количеству на складе: от меньшего к большемуСортировать по количеству на складе: от большего к меньшему Никогда больше не беспокойтесь о сроке службы батареи.
Всего 3,98
С рейтингом 4,90 из 5
10,24 $Подробнее
От 1,65
С рейтингом 4,48 из 5
3,98 $Всего 6.12
С рейтингом 4.88 из 5
14,25 $Подробнее
Всего 4,07
Рейтинг 4,89 из 5
10,32 $В корзину
Рейтинг 4,85 из 5
32,99 $Подробнее
С рейтингом 4,85 из 5
37,99 $В корзину
Минимум 4.54
С рейтингом 5.00 из 5
10,74 $В корзину
Скидка 28%
Рейтинг 4,85 из 5
16,49 $В корзину
С рейтингом 4,91 из 5
22,99 $В корзину
Всего 4,54
С рейтингом 4,92 из 5
10,74 $Добавить в корзину
Всего 4,54Рейтинг 4,93 из 5
10,74 $В корзину
Скидка 28%
Рейтинг 4,93 из 5
16,49 $В корзину
С рейтингом 4,89 из 5
79,99 $В корзину
Скидка 28%
Рейтинг 4,91 из 5
16,49 $Добавить в корзину
С рейтингом 4,88 из 5
22,99 $В корзину
С рейтингом 4,85 из 5
55,00 $В корзину
Скидка 28%
Рейтинг 4,96 из 5
16,49 $В корзину
Рейтинг 4,76
Подробнее
С рейтингом 4,80 из 5
89,99 $Подробнее
Скидка 27%
Рейтинг 4,97 из 5
17,06 $В корзину
От 6.
10
С рейтингом 4.95 из 5
13,50 $Подробнее
С рейтингом 4,90 из 5
24,99 $Подробнее
С рейтингом 4,88 из 5
22,99 $В корзину
С рейтингом 4,86 из 5
25,99 $В корзину
С рейтингом 5,00 из 5
22,99 $В корзину
Рейтинг 4,66 из 5
41,99 $Подробнее
Рейтинг 4,91 из 5
От 34,99 $Подробнее
Рейтинг 4,55 из 5
29,99 $Подробнее
С рейтингом 4,95 из 5
22,99 $В корзину
Рейтинг 4.94 из 5
22,99 $В корзину
С рейтингом 4,74 из 5
39,99 $В корзину
С рейтингом 5,00 из 5
22,99 $В корзину
С рейтингом 4,80 из 5
22,99 $В корзину
Рейтинг 4,83 из 5
45,99 $Подробнее
С рейтингом 4,75 из 5
66,99 $В корзину
Нет в наличии
С рейтингом 4,88 из 5
69,99 $Подробнее
УстройствоMiniscule может помочь продлить срок службы батареи крошечных датчиков | Новости Массачусетского технологического института
Ученые стремятся разработать все более компактные устройства Интернета вещей, такие как датчики размером меньше кончика пальца, которые могли бы сделать практически любой объект отслеживаемым.
Эти крошечные датчики имеют крошечные батареи, которые часто почти невозможно заменить, поэтому инженеры используют приемники пробуждения, которые удерживают устройства в «спящем» режиме с низким энергопотреблением, когда они не используются, продлевая срок службы батареи.
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый пробуждающий приемник, который в десять раз меньше предыдущих устройств и потребляет всего несколько микроватт энергии. Их приемник также включает маломощную встроенную систему аутентификации, которая защищает устройство от атак определенного типа, которые могут быстро разрядить его аккумулятор.
Многие распространенные типы приемников пробуждения имеют сантиметровую шкалу, поскольку их антенны должны быть пропорциональны размеру радиоволн, которые они используют для связи. Вместо этого команда Массачусетского технологического института создала приемник, использующий терагерцовые волны, длина которых составляет примерно одну десятую длины радиоволн.
Размер их чипа едва превышает 1 квадратный миллиметр.
Они использовали свой пробуждающий приемник, чтобы продемонстрировать эффективную беспроводную связь с источником сигнала, который находился на расстоянии нескольких метров, продемонстрировав диапазон, который позволил бы использовать их чип в миниатюрных датчиках.
Например, будильник может быть встроен в микророботов, которые отслеживают изменения окружающей среды в областях, слишком маленьких или опасных для других роботов. Кроме того, поскольку устройство использует терагерцовые волны, его можно использовать в новых приложениях, таких как развертываемые в полевых условиях радиосети, которые работают как рои для сбора локализованных данных.
«Используя терагерцовые частоты, мы можем сделать антенну размером всего в несколько сотен микрометров с каждой стороны, что является очень маленьким размером. Это означает, что мы можем интегрировать эти антенны в чип, создавая полностью интегрированное решение. В конечном счете, это позволило нам создать очень маленький будильник, который можно было подключить к крошечным датчикам или радиоприемникам», — говорит Ынсок Ли, аспирант по электротехнике и компьютерным наукам (EECS) и ведущий автор статьи о пробуждении.
вверх приемник.
Ли написал статью вместе со своими советниками и старшими авторами Анантой Чандракасан, деканом Инженерной школы Массачусетского технологического института и профессором электротехники и компьютерных наук Ванневара Буша, который возглавляет группу энергоэффективных цепей и систем, и Руонаном Ханом. , доцент кафедры EECS, возглавляющий группу терагерцовой интегрированной электроники в Научно-исследовательской лаборатории электроники; а также другие в Массачусетском технологическом институте, Индийском институте науки и Бостонском университете. Исследование будет представлено на конференции IEEE Custom Integrated Circuits Conference.
Уменьшение размера приемника
Терагерцовые волны, обнаруженные в электромагнитном спектре между микроволнами и инфракрасным светом, имеют очень высокие частоты и распространяются намного быстрее, чем радиоволны. Иногда называемые «карандашными лучами», терагерцовые волны распространяются по более прямому пути, чем другие сигналы, что делает их более безопасными, объясняет Ли.
Однако волны имеют такие высокие частоты, что приемники терагерцового диапазона часто умножают терагерцовый сигнал на другой сигнал для изменения частоты. Этот процесс известен как модуляция смешения частот. Терагерцовое микширование потребляет много энергии.
Вместо этого Ли и его сотрудники разработали детектор с нулевым энергопотреблением, который может обнаруживать терагерцовые волны без необходимости смешивания частот. Детектор использует пару крошечных транзисторов в качестве антенн, которые потребляют очень мало энергии.
Даже с обеими антеннами на чипе их пробуждающий приемник имел размер всего 1,54 квадратных миллиметра и потреблял менее 3 микроватт энергии. Эта установка с двумя антеннами максимизирует производительность и упрощает считывание сигналов.
После получения их чип усиливает терагерцовый сигнал, а затем преобразует аналоговые данные в цифровой сигнал для обработки. Этот цифровой сигнал содержит маркер, представляющий собой строку битов (0 и 1).
Если токен соответствует токену приемника пробуждения, он активирует устройство.
Повышение безопасности
В большинстве приемников пробуждения один и тот же токен повторно используется несколько раз, поэтому подслушивающий злоумышленник может выяснить, что это такое. Затем хакер может отправить сигнал, который будет активировать устройство снова и снова, используя так называемую атаку отказа в спящем режиме.
«С помощью пробуждающего приемника срок службы устройства может быть увеличен, например, с одного дня до одного месяца, но злоумышленник может использовать атаку отказа в спящем режиме, чтобы разрядить весь срок службы батареи даже менее чем за день. Вот почему мы добавили аутентификацию в наш будильник», — объясняет он.
Они добавили блок аутентификации, который использует алгоритм для случайного выбора токена устройства каждый раз с использованием ключа, который передается доверенным отправителям. Этот ключ действует как пароль — если отправитель знает пароль, он может отправить сигнал с правильным токеном.
Исследователи делают это, используя технику, известную как облегченная криптография, которая гарантирует, что весь процесс аутентификации потребляет всего несколько дополнительных нановатт энергии.
Они протестировали свое устройство, посылая терагерцовые сигналы на будильник, увеличивая расстояние между чипом и источником терагерц. Таким образом они проверили чувствительность своего приемника — минимальную мощность сигнала, необходимую для того, чтобы устройство успешно обнаружило сигнал. Сигналы, которые распространяются дальше, имеют меньшую силу.
«Мы добились демонстрации на расстоянии от 5 до 10 метров больше, чем другие, используя устройство с очень маленьким размером и потребляемой мощностью на уровне микроватт», — говорит Ли.
Но чтобы быть наиболее эффективными, терагерцовые волны должны попасть в детектор точно в цель. Если чип находится под углом, часть сигнала будет потеряна. Итак, исследователи соединили свое устройство с терагерцовой управляемой решеткой, недавно разработанной группой Хана, для точного направления терагерцовых волн.
Используя этот метод, связь может быть отправлена на несколько микросхем с минимальной потерей сигнала.
В будущем Ли и его сотрудники хотят решить эту проблему ухудшения качества сигнала. Если они смогут найти способ поддерживать мощность сигнала, когда чипы приемника слегка перемещаются или наклоняются, они могут повысить производительность этих устройств. Они также хотят продемонстрировать свой пробуждающий приемник на очень маленьких датчиках и точно настроить технологию для использования в реальных устройствах.
«Мы разработали богатый набор технологий для будущих платформ обнаружения, маркировки и аутентификации миллиметрового размера, включая обратное терагерцовое рассеяние, сбор энергии, управление и фокусировку электрического луча. Теперь это портфолио пополнилось первым в мире приемником пробуждения терагерцового диапазона от Eunseok, который имеет решающее значение для экономии крайне ограниченной энергии, доступной на этих мини-платформах», — говорит Хан.