Элементы питания современных мобильных телефонов

Развитие сотовых телефонов давно уже характеризуется исключительно превосходными степенями - мощнейшие, быстрейшие и т.д. Однако есть среди всего этого засилья мегабайтов и мегапикселей одна-единственная характеристика, которая с дальнейшей эволюцией мобильных устройств не становится лучше, а наоборот, служит во многом сдерживающим фактором мобильных технологий. Речь идет, конечно же, о времени автономной работы и, соответственно, об аккумуляторах современных сотовых телефонов. С увеличением возможностей мобильных устройств, их технических параметров, время работы телефонов неизменно сокращается. Современные технические решения, такие как, например, литиевые аккумуляторы всех мастей, не справляются со все возрастающими запросами пользователей, в результате чего сегодняшнее поколение сотовых телефонов способно работать лишь один-два дня. Перспективные же разработки, такие как широко освещавшиеся в прессе некоторое время назад топливные элементы или другие не менее одиозные альтернативные источники питания, на поверку оказываются куда менее эффективными, нежели предполагалось вначале. Однако, пожалуй, стоит перейти непосредственно к рассмотрению элементов питания современных мобильных телефонов.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Первые аккумуляторы, то есть устройства для накопления энергии (в данном случае - электрической) с целью последующего ее использования, появились еще в XIX веке. Первоначально это были кислотные аккумуляторы, обладавшие существенными недостатками, в частности, невысокой емкостью. Однако именно в то время сформировались основные принципы и конструктивные особенности современных аккумуляторов. Любая батарея состояла из трех основных элементов - анода и катода, между которыми протекала окислительно-восстановительная реакция, а также находящегося между ними электролита. Свинцово-кислотные аккумуляторы, появившиеся в 1859 году в результате работ французского ученого Гастона Планте (Gaston Plant?) и начавшие серийно выпускаться еще в конце XIX века, получили распространение в различных сферах деятельности человека. Однако это явно не касается мобильной индустрии и сотовых телефонов - недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов, такие как большие массогабаритные характеристики, а также вредность содержащихся в них компонентов, не позволили использовать их в чувствительной, капризной и компактной мобильной технике.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Первую никель-кадмиевую (Ni-Cd) батарею изобрел шведский ученый Вальдмар Юнгнер (Waldmar Jungner) в 1899 году. Правда, в то время подобный тип аккумуляторов распространения не получил, в основном, из-за дороговизны технологического процесса производства. Однако впоследствии появились новые, более прогрессивные способы и методы, в результате чего никель-кадмиевые источники питания получили большую известность (в частности, в 1947 году немецкий инженер Георг Нойман (Georg Neumann) изобрел герметичную никель-кадмиевую батарею). Однако подобные элементы постепенно выходят из употребления, в основном, в связи с вредностью отработанных никель-кадмиевых аккумуляторов (в связи с токсичностью кадмия). Так, в ряде стран никель-кадмиевые аккумуляторы, не включенные в программу утилизации, и вовсе оказались под запретом. Интересно, что для аккумуляторов данного типа были свойственны хорошие показатели долговечности и надежности (особенно при высоких и низких температурах), также никель-кадмиевые элементы питания славились своей способностью выдерживать большое количество циклов зарядки-разрядки. Однако энергоемкость таких источников питания оказалась ниже, чем у других типов аккумуляторов. К тому же, никель-кадмиевые аккумуляторы, как и все источники питания с содержанием никеля, "славились" так называемым эффектом памяти, когда при неполном разряде-заряде аккумулятора значительно падала его емкость (могла упасть до значения остаточного заряда). Впрочем, современные никель-кадмиевые аккумуляторы практически избавились от этого своего главного недостатка.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Другой тип аккумуляторов с использованием никеля - никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Некоторое время назад их еще можно было встретить в устаревших моделях сотовых телефонов, правда, впоследствии подобные аккумуляторы были заменены на более прогрессивные типы элементов питания (как это произошло, например, с культовым мобильным телефоном Nokia 3310). Как и другие никелевые аккумуляторы, источники питания Ni-MH были подвержены "эффекту памяти" (правда, выражен он был в меньшей степени, нежели у никель-кадмиевых аккумуляторов), в связи с чем появился традиционный ритуал так называемой раскачки свежеприобретенного мобильного телефона (несколько последовательных циклов разряда и заряда батареи телефона).

Литий-ионные аккумуляторы

Самые массовые из современных элементов питания для мобильных телефонов - литиевые. Первые литиевые аккумуляторы в бытовых устройствах появились в 70-х годах прошлого века, хотя первые опыты по созданию данного типа источников питания относятся еще к 1912 году. В отличие от никелевых аккумуляторов, здесь катод состоял из угля, анод - из различных соединений, как правило, диоксида лития и кобальта, а электролит представлял собой соляной раствор с ионами лития. Li-Ion-аккумуляторы сегодня повсеместно распространены не только среди сотовых телефонов, но и в сегментах ноутбуков, цифровых фотоаппаратов (имеются в виду оригинальные аккумуляторы, не стандартные AA), MP3-плееров и прочих портативных устройств. Высокая энергоемкость и стабильность позволяют компаниям-производителям по-прежнему ориентироваться на использование данного типа элементов питания в своих устройствах. Процесс начался еще в 1990-х годах, с внедрением литиевых элементов питания в мобильные телефоны, реализовывавшиеся на японском рынке, - вообще, впервые коммерческое производство Li-Ion-аккумуляторов было запущено в 1991 году компанией Sony Energetic. Правда ранее авторитет этого типа аккумуляторов был сильно подпорчен многочисленными рекламациями, отзывами и даже взрывами литий-ионных аккумуляторов. К недостаткам литиевых аккумуляторов относится не только взрывоопасность (в связи с очень высокой химической активностью лития), но и далеко не лучшее поведение на морозе (их просто нецелесообразно использовать при температурах ниже 20 градусов по Цельсию - иначе рискуете лишиться не только аккумулятора, но и телефона в результате выброса электролита), "просаживание" при длительном бездействии (глубокий разряд губительно сказывается на ресурсе аккумулятора), падение емкости аккумулятора с возрастом (вне зависимости от степени использования). Но, несмотря на наличие отрицательных сторон, подобный тип элементов питания сегодня остается основным для мобильных телефонов. Основным достоинством такого типа аккумуляторов является большая емкость и отсутствие того самого "эффекта памяти" (правда, многие пользователи новых, только что купленных телефонов с Li-Ion-аккумуляторами по старинке продолжают "раскачивать" батареи циклами разряда-заряда). По сравнению с никелевыми аккумуляторами, литий-ионные батареи допускают меньшие значения саморазряда (за одно и то же время бездействия телефона Li-Ion-аккумулятор потеряет гораздо меньше энергии, чем тот же Ni-MH).

Литий-полимерные аккумуляторы

Более прогрессивной разновидностью литий-ионных источников питания являются литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Справедливости ради, их и назвать-то стоило "литий-ионные полимерные" источники питания. Они стали широко известны на рынке с 1999 года, начиная с первых коммерческих образцов. Ввиду особенностей конструкции (применение специального полимерного электролита - также солей лития - в виде геля) они годятся для изготовления различных по форме аккумуляторов, в том числе для так любимых производителями сегодня тонких решений. Это и является основным преимуществом литий-полимерных аккумуляторов перед литий-ионными. Появляется возможность уменьшить толщину аккумулятора, а вместе с ним - и самого мобильного устройства. Сегодня литий-полимерные аккумуляторы в мобильных телефонах чаще всего можно встретить среди продукции компании Sony Ericsson. Поскольку глубокий разряд может негативно сказаться на аккумуляторе, в современных литий-ионных и литий-полимерных элементах питания используется также контроллер напряжения, не допускающий глубокого разряда либо, наоборот, "перезарядки", способной привести к деформации аккумулятора.

Вездесущие батарейки

История, как известно, развивается по спирали. Лет десять назад, наряду с оригинальными никель-металлогидридными и литий-ионными аккумуляторами в мобильных телефонах успешно применялись стандартные сухие элементы питания - "пальчиковые" формата АА и ААА, повсеместно распространенные щелочные (марганцево-цинковые) батарейки. Достаточно вспомнить такие продукты, как, например, Alcatel OT COM, Motorola V2288 и проч. Впоследствии, с приходом моды на уменьшение габаритов мобильных телефонов, подобные решения постепенно сошли на нет. Однако развитие мобильных технологий, как известно, не стоит на месте - сегодняшним мультимедийным монстрам порой просто необходима подпитка со стороны дополнительных источников питания, позволяющих хоть как-то продлить время автономной работы. Причем, если раньше дело касалось разве что зарядных устройств для мобильных телефонов, подключаемых к интерфейсному разъему телефонов и способных подпитывать девайсы от одной-двух стандартных батареек АА (внешние подсоединяемые модули для различных телефонов, в частности, Sony Ericsson или Nokia) да концептов (например, Motorola PVOT), то сегодня можно говорить о полноценных серийных мобильных решениях с предусмотренным конструкцией соответствующим слотом для таких аккумуляторов. В качестве примера можно привести мобильный телефон из "долгоиграющей" линейки Xenium компании Philips - модель Philips 9@9j, в которой наряду с оригинальным аккумулятором предусмотрена возможность использования обычной ААА-батарейки (по заявлению производителя, одна такая "мизинчиковая" батарейка позволяет дополнительно разговаривать в течение трех часов).

Альтернативные источники питания

Естественно, компании-производители мобильных телефонов не могут быть удовлетворены низким временем автономной работы современных устройств. В связи с этим постоянно ведутся работы над новыми, перспективными источниками питания для мобильных телефонов, вот только отдача от данного процесса пока слишком мала. Разнообразные проекты, связанные с использованием солнечной энергии, механической энергии (в том числе "подзаводка" мобильного телефона подобно часам) и т.д. пока не вызвали особого энтузиазма со стороны пользователей. Топливные элементы, про которые пару лет назад не говорил только ленивый, стали одним из главных разочарований мобильной индустрии. Применительно к сотовым телефонам дело не пошло дальше экспериментов, в частности, проводившихся японским оператором NTT DoCoMo. Авансы, которые получили метаноловые (и не только) источники питания, оказались чересчур щедрыми, ожидания так до конца не оправдались. Технология выработки энергии за счет реакции между водородом и кислородом воздуха по-прежнему требует доработки. Конечно, сам принцип преобразования энергии в результате реакции окисления топлива весьма заманчив. Однако при этом возникает целый ряд жестких ограничений, связанных с обеспечением должного уровня безопасности - как известно, метиловый спирт - а именно он предполагался на роль главного топливного элемента - является весьма ядовитым веществом, в связи с чем предъявлялись особые требования к герметичности топливных картриджей. Впрочем, развитие технологий не стоит на месте, и уже в ближайшем будущем мы наверняка сможем проследить за очередным витком эволюции топливных элементов.

Вывод

Таким образом, на сегодняшнем этапе развития технологий время автономной работы мобильных устройств по-прежнему остается одним из самых узких мест. Существующие решения, в частности, наиболее распространенные литий-ионные аккумуляторы, с учетом "нафаршированности" современных сотовых телефонов разнообразными функциями, просто не в состоянии обеспечить время автономной работы больше нескольких дней, даже при минимальной нагрузке. Предлагаемые альтернативные источники питания, несмотря на всю шумиху вокруг них, пока неспособны даже выйти на сравнимый с традиционными аккумуляторами уровень - как по техническим характеристикам, так и по удобству. Это особенно хорошо видно на примере топливных элементов, истерия вокруг которых пару лет назад закончилась пшиком. Безусловно, технология крайне перспективна, однако она требует длительной доработки, как и многие другие идеи, в частности, использование новых типов аккумуляторов. Прочие же разработки, вроде использования солнечной энергии или мускульной силы человека, вряд ли получат массовое распространение в ближайшем будущем - все же, большинство пользователей воспринимает мобильный телефон прежде всего как удобное средство общения, но не как эспандер. В связи со всем вышесказанным, наиболее эффективным способом увеличения времени автономной работы мобильных устройств сегодня является вовсе не изобретение новых источников питания, а усовершенствование старых и особенно - оптимизация работы современных сотовых телефонов. Энергосбережение мобильных устройств сегодня является тем ресурсом, который далеко еще не исчерпал себя. Способы, предлагаемые сегодня компаниями-производителями, достаточно примитивны, обладают не самой значительной эффективностью, однако их развитие может действительно привести к значительным подвижкам в области энергосбережения мобильных телефонов. В качестве примеров можно вспомнить использование датчиков освещения, динамическое изменение тактовой частоты процессора мобильного телефона, использование своеобразной "двухъядерной" структуры (на самом деле, двухпроцессорной, когда один процессор в телефоне отвечает исключительно за голосовые функции, радиомодуль, другой - за все остальное). Сократить энергопотребление позволит и внедрение новых конструктивных решений, например, более экономичных плазменных панелей вместо современных жидкокристаллических экранов, а также такие разработки, как функция прерывания сигнала во время пауз при разговоре (DTX). Интересно, прослеживается аналогия с автомобилестроением, также упорно борющимся за экономичность современных авто (в частности, функции DTX вполне соответствует опция отключения двигателя в периоды простаивания). Тем не менее, именно создание энергоэффективных аппаратов, экономия заряда аккумуляторов за счет энергосберегающих технологий может в какой-то мере стать альтернативой поиску новых решений в области элементов питания. Либо дополнить их - уже ведутся работы над перспективными серно-натриевыми и литий-серными аккумуляторами, над улучшением существующих решений (в том числе литий-ионных аккумуляторов, благодаря модным нынче нанотехнологиям, например, кремниевых нанопроводов). Снижение энергопотребления на сегодняшний день приоритетно не только для мобильной индустрии, но и в целом для компьютерного рынка, причем здесь интересы компаний-производителей, похоже, совпадают с интересами "зеленых" организаций. Интересно проследить, насколько динамичным будет развитие данного направления в самом ближайшем будущем - уж наверняка не медленнее, чем поиск эффективных альтернативных источников питания.