Как работает аккумулятор телефона

Аккумулятор телефона не хранит электричество как ведро воду. Внутри него ионы лития перебираются из одного слоя в другой и обратно: при зарядке они уходят в графит, при разряде возвращаются назад, а электроны в это время вынуждены обходить их путь снаружи, через схему телефона, и по дороге делают работу. Проценты на экране - это, по сути, оценка того, сколько ионов сейчас находится в графитовом слое. Оценка, а не измерение, и отсюда растёт половина странностей в поведении батареи.

Что внутри плоского пакетика

Если разобрать аккумулятор, внутри окажется не жидкость, а свёрнутый или сложенный слоёный пирог из четырёх видов плёнки.

Первый слой - алюминиевая фольга, покрытая порошком из оксида металлов с литием. Это положительный электрод, и именно он служит хранилищем лития, когда батарея разряжена. Второй слой - медная фольга с нанесённым графитом, отрицательный электрод. Графит устроен как стопка листов, и между этими листами есть место, куда ионы лития помещаются, не разрушая структуру.

Между электродами лежит сепаратор - пористая плёнка толщиной в единицы микрон. Её работа неблагодарная, но критическая: пропускать ионы и не пропускать электроны, то есть не давать электродам замкнуться напрямую. Всё это пропитано электролитом, раствором соли лития в органических растворителях.

Пирог упаковывают в мягкий пакет из многослойной фольги. Отсюда и форма: батарея телефона плоская не потому, что так удобнее, а потому, что тонкие слои дают больше площади соприкосновения и меньше сопротивление.

Как заряд ездит туда и обратно

Схему часто называют качелями. При зарядке внешний источник насильно вытягивает электроны из положительного электрода, и оттуда, чтобы сохранить равновесие заряда, в электролит выходят ионы лития. Они плывут через сепаратор к графиту и встраиваются между его слоями. Электроны в это же время идут в графит снаружи, по проводам.

При разряде всё идёт назад. Ионы покидают графит и возвращаются к положительному электроду, а электроны, которым дорога через электролит закрыта, вынуждены пойти в обход - через процессор, экран и всё остальное. Эта дорога и есть питание телефона.

Ключевое свойство схемы: сам литий никуда не расходуется, он просто переезжает. Именно поэтому такой аккумулятор выдерживает сотни циклов. В батарейке, которую нельзя перезарядить, вещества необратимо превращаются друг в друга, а здесь идёт обратимое перемещение.

Три вольта, миллиампер-часы и ватт-часы

Напряжение аккумулятора не постоянно. Полностью заряженная ячейка выдаёт около 4,2 вольта, разряженная - около 3 вольт, а среднее по разряду значение примерно 3,7 вольта, его и пишут как номинальное.

Ёмкость обычно указывают в миллиампер-часах, и это единица неполная. Она говорит, сколько зарядов через батарею пройдёт, но ничего не говорит о том, под каким напряжением. Настоящий запас энергии измеряется в ватт-часах и получается умножением ёмкости на напряжение. Сравнивать две батареи по одним миллиампер-часам корректно только тогда, когда у них одинаковое напряжение, а у пары из одной ячейки и двух последовательных оно разное.

Телефону при этом нужны не 3,7 вольта, а разные напряжения для разных узлов, и все они ниже. Внутри стоят преобразователи, которые понижают напряжение батареи до нужного и держат его стабильным, пока ячейка садится. Поэтому яркость экрана не тускнеет по мере разряда, хотя напряжение падает.

Две стадии зарядки и почему последние проценты долгие

Зарядка идёт в два этапа, и это объясняет самое частое бытовое наблюдение.

Сначала контроллер держит постоянный ток: льёт в батарею столько, сколько позволяет провод, разъём и нагрев. Напряжение на ячейке при этом само растёт. Эта стадия быстрая, и именно на ней набирается большая часть заряда.

Когда напряжение доходит до предельного, начинается вторая стадия: теперь удерживается постоянное напряжение, а ток сам собой падает - сначала вдвое, потом на порядок. Заканчивается зарядка, когда ток снижается до небольшой доли от начального.

Отсюда и ощущение, что телефон долетает до восьмидесяти процентов бодро, а последние проценты добирает мучительно. Так и есть: на второй стадии ток маленький по построению, и ускорить её нельзя, не превысив предельное напряжение. А превышать нельзя, потому что за этой границей начинается разрушение электролита.

Быстрая зарядка работает над первой стадией: устройство и провод договариваются о повышенном напряжении, чтобы передать больше мощности без адского тока в кабеле, а внутри телефона она преобразуется под нужды батареи. Ограничитель здесь тепловой: чем больше мощность, тем сильнее нагрев, а нагрев съедает ресурс.

Контроллер: почему проценты приблизительны

Прямо измерить, сколько лития сидит в графите, невозможно. Поэтому уровень заряда телефон вычисляет, и делает это двумя способами сразу.

Первый - счёт кулонов: схема интегрирует ток, входящий и выходящий из батареи, и ведёт баланс. Способ точный на коротком промежутке, но накапливает ошибку, потому что маленькая систематическая погрешность измерения тока за сутки набегает в заметную величину.

Второй - по напряжению. У каждой химии есть своя кривая зависимости напряжения от остатка заряда, и по напряжению покоя можно оценить уровень. Беда в том, что средняя часть этой кривой очень пологая: между 70 и 30 процентами напряжение меняется на считаные сотые доли вольта, и точность оценки там низкая. Зато у краёв кривая круто идёт вниз, и там метод работает хорошо.

Контроллер комбинирует оба и время от времени пересчитывает свою шкалу, привязываясь к моментам полной зарядки и полного отключения. Отсюда знакомые эффекты: телефон, простоявший разряженным, показывает после включения не то, что показывал перед выключением; а показания скачут на несколько процентов после снятия нагрузки, потому что напряжение под нагрузкой просаживается и возвращается в покое.

Тот же контроллер выполняет работу охранника: не даёт зарядить выше предела, разрядить ниже минимума, превысить ток, отключает всё при перегреве и разрывает цепь при коротком замыкании. Это не украшение, а обязательная часть: литиевая ячейка без такой защиты опасна.

Отчего аккумулятор стареет

Старение - это не износ трущихся частей, а медленная химия, идущая параллельно полезной работе.

Главный процесс происходит на границе графита и электролита. Там с первого же цикла образуется тончайшая плёнка из продуктов разложения электролита. Плёнка полезна: она защищает электролит от дальнейшего разложения. Но она растёт, и на её постройку уходит литий, который навсегда выбывает из оборота. Чем меньше лития участвует в качелях, тем меньше ёмкость.

Плёнка вдобавок мешает ионам проходить, и внутреннее сопротивление растёт. Это вторая часть старения, менее очевидная, но более заметная в быту: телефон со старой батареей не столько мало работает, сколько внезапно выключается под нагрузкой, потому что напряжение проваливается ниже допустимого при первом же тяжёлом действии.

Ускоряют процесс две вещи. Тепло, потому что любая химия идёт быстрее при нагреве, и долгое пребывание в состоянии полного заряда, потому что при максимальном напряжении электролит разлагается охотнее. Отдельный неприятный сценарий - зарядка большим током на морозе: ионы не успевают встроиться в графит и оседают на его поверхности металлом, а этот металл уже не возвращается в работу и в худшем случае прорастает иглами через сепаратор.

Что такое цикл и как его считают

Цикл - это не одно подключение к розетке, а суммарный оборот ёмкости, равный полной. Разрядили с 100 до 60 процентов и зарядили обратно, потом ещё раз то же самое - вот и один цикл, хотя телефон побывал на зарядке дважды.

Производители обычно оценивают ресурс в несколько сотен полных циклов до момента, когда ёмкость упадёт примерно на пятую часть от исходной. Это не срок службы, а точка, после которой падение становится заметным в быту.

Из определения следует неочевидное: количество подключений к розетке само по себе не вредит. Значение имеет, сколько энергии в сумме прогнали через батарею и в каких условиях по температуре и напряжению.

Холод, жара и вздутие

На морозе электролит становится вязким, ионы двигаются медленнее, внутреннее сопротивление резко растёт. Ёмкость никуда не делась, но отдать её быстро батарея не может: напряжение под нагрузкой падает, контроллер видит цифры, характерные для разряженной ячейки, и выключает телефон. В тепле аппарат включается и показывает вполне живой заряд - ничего не потерялось, просто была временная неспособность отдать ток.

Жара действует иначе и хуже. Она ничего не выключает, но необратимо ускоряет старение, и телефон, пролежавший лето на приборной панели, теряет ёмкость за месяцы, а не за годы. По этой же причине аппарат замедляет зарядку, когда греется: контроллер выбирает медленно, но целым.

Вздутие пакета - это скопившийся внутри газ, продукт разложения электролита. Мягкая упаковка не выдерживает давления и раздувается, выгибая корпус и отклеивая экран. Процесс необратимый: газ обратно не растворится, а нарушенная геометрия слоёв означает, что нормально работать ячейка уже не будет. Прокалывать или пытаться сдуть такой пакет нельзя, литий и электролит бурно реагируют с воздухом и влагой.