Cómo han evolucionado las baterías de los teléfonos inteligentes

A menudo criticamos los teléfonos inteligentes modernos por su breve tiempo de funcionamiento. Ahora viven un día, un máximo de dos - pero 20

Hace años, los teléfonos móviles duraban hasta una semana de uso activo.

Tal comparación es injusta, porque los nuevosLos teléfonos inteligentes son mucho más avanzados que el Nokia 3310 y consumen un orden de magnitud más de energía. El hecho de que las baterías modernas les proporcionen uno o dos días de vida útil es el resultado de décadas de investigación y experimentación científica.

Los acontecimientos recientes dan esperanza de queLos futuros teléfonos inteligentes ofrecerán una duración de la batería significativamente mayor. Pero, ¿cuándo sucederá esto? Te contamos cómo han evolucionado las fuentes de alimentación y qué innovaciones permitirán dar un salto en la autonomía de los smartphones.

El dispositivo y el principio de funcionamiento de la batería.

Cualquier fuente de corriente eléctrica funcionaEn una forma similar. Se basa en dos electrodos en contacto con un electrolito, una sustancia capaz de conducir una carga eléctrica debido a una alta concentración de iones (cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente). Como electrolito actúan soluciones de álcalis, ácidos o sales.

Ánodo cargado negativamente (plomo, cadmio,zinc y otros metales) contiene un agente reductor que dona electrones durante una reacción oxidativa. Estos electrones pasan por el circuito externo a un cátodo cargado positivamente (óxido de plomo, óxido de manganeso y otros). Allí participan en la reacción de reducción del agente oxidante.

При подключении к электродам нагрузки создается un circuito eléctrico cerrado a través del cual fluye una corriente de descarga. Se forma por el movimiento de electrones en piezas metálicas y aniones con cationes en el electrolito.

Baterías en los primeros dispositivos móviles

El primer celular del mundo Motorola DynaTACEl 8000X se lanzó en 1983 y funcionaba con una batería de níquel-cadmio (Ni-Cd). El hidróxido de cadmio era el ánodo y el hidróxido de níquel el cátodo. Se usó una solución alcalina como electrolito.

El tiempo de carga de tales baterías llegó a seishoras, mientras que proporcionaron solo alrededor de una hora de duración de la batería. Además, las baterías de Ni-Cd estaban sujetas al efecto memoria: una disminución de la capacidad como resultado de la recarga de una fuente de alimentación descargada de forma incompleta. Debido a esto, tuve que descargarlos y cargarlos por completo. De lo contrario, el tiempo de funcionamiento ni siquiera alcanzó una hora y la batería falló rápidamente.

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Al conectar la carga de Ni-Cd, las baterías se calentaron rápidamente. Además, eran grandes y pesados, lo que se convirtió en un problema con el tamaño cada vez menor de los teléfonos móviles.

Las baterías de hidruro metálico de níquel (Ni-MH) se diseñaron para eliminar estas deficiencias. En lugar de hidróxido de cadmio, el papel del ánodo lo realiza una aleación de hidruro metálico de níquel-lantano o níquel-litio.

En comparación con Ni-Cd, un nuevo tipo de bateríaofrece mucho más potencia y densidad de energía. El último punto permitió reducir el tamaño de las baterías de Ni-Mh, al tiempo que aumentaba la capacidad.

Tal conjunto de características hizo Ni-Mhsolución atractiva para teléfonos móviles. Sin embargo, también hubo desventajas: tales baterías todavía estaban muy calientes y, a menudo, "hinchadas". También estaban sujetos al efecto memoria. Sin embargo, fueron populares hasta principios de la década de 2000, cuando apareció una nueva tecnología en el horizonte.

Transición a iones de litio

La patente de la batería de iones de litio fueregistrada por el científico estadounidense Manly Whittingham en 1970. Propuso el uso de un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de litio. Entre ellos se colocó un separador poroso que permitía el paso de los iones de litio y evitaba el contacto de los electrodos.

En 1985, el japonés Akira Yoshino desarrollóelectrodos efectivos para tales baterías. Se utilizó un sustrato de lámina de cobre para el ánodo y lámina de aluminio para el cátodo. Sony lanzó la primera batería de iones de litio en serie en 1991.

La transición a una nueva tecnología ha aumentado significativamente la densidad de energía y también ha salvado las baterías de un efecto de memoria pronunciado. Otra ventaja fue la reducción del tiempo de carga.

Las primeras baterías de iones de litio tenían energíadensidad 100 W*h/kg. Desde entonces, ha habido muchas optimizaciones tecnológicas, experimentos con materiales y diseño, y hoy tenemos baterías con una densidad de 300 Wh/kg.

La forma de las baterías también cambió para maximizarutilizar el espacio de manera eficiente. Entonces, el iPhone 11 Pro Max, lanzado en 2019, recibió una batería en forma de L con una capacidad de 3969 mAh. A modo de comparación, el iPhone XS Max usaba una batería de dos celdas, cuya capacidad total era de solo 3174 mAh.

También experimentan con diferentes materiales.Por ejemplo, en lugar de un ánodo de grafito, se empezaron a utilizar ánodos de silicio-oxígeno, capaces de almacenar cuatro veces más iones de litio. El primer teléfono inteligente con tal batería fue Xiaomi 11 Ultra en 2021.

Hoy en día se encuentran baterías de 5000 mAhincluso en teléfonos inteligentes económicos. Así continúa el desarrollo de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el espesor del separador, así como los sustratos metálicos del ánodo y el cátodo, disminuyen gradualmente. Todo esto hace que las celdas de la batería sean más pequeñas manteniendo la capacidad.

Hubo un problema agudo con la compactación del diseño.calefacción. Las modernas baterías de iones de litio tienen una eficiencia del 95 %. El 5% restante de la energía se convierte en calor. A primera vista, esto no es mucho, pero con errores de ingeniería, incluso ese calentamiento puede dañar la batería.

Otro problema con las baterías de iones de litio esdegradación gradual: en 2 años, una batería de iones de litio pierde un promedio del 10% de su capacidad, incluso si no se usa. La vida promedio de tales baterías es de 5 años, después de lo cual deben ser disponer de – y es muy difícil.

Sin embargo, estos parámetros son mucho mejores queBaterías de 10 años. El precio de las baterías de Li-ion también ha bajado: si en 2010 1 kWh costaba 1.183 dólares, hoy cuesta solo 130 dólares. Y en comparación con 1991, la caída del precio fue del 97%: entonces 1 kWh costaba $ 3,000.

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Que sigue

Una tecnología que podría ver la luz en los próximos años son las baterías de litio-azufre. Su diseño es similar al de iones de litio, pero en lugar de grafito, se usa azufre en el cátodo.

Según los científicos, este descubrimiento permitirá crearbaterías con una densidad de energía de hasta 400-500 vatios-hora por kilogramo de masa. Esto es aproximadamente el doble que las baterías modernas de iones de litio.

Ahora tales baterías no pueden soportaruna gran cantidad de recargas. Otro problema en la forma de su distribución es la escasa compatibilidad con los electrolitos existentes, lo que reduce la densidad de potencia y energía. Sin embargo, esto puede cambiar pronto.

En 2021, científicos japoneses desarrollado electrolito sólido para baterías de litio-azufre.Los primeros experimentos mostraron un aumento significativo en la densidad de energía, pero el nuevo material se oxidó rápidamente y perdió sus propiedades con cada ciclo de carga posterior.

Esto se corrigió agregando nanopartículas de átomos de carbono y varias sales de litio al electrolito. Como resultado, la oxidación se hizo más lenta, lo que la protegió de una mayor destrucción.

Otros experimentos llevaron a un inesperado apertura. Científicos de la Universidad de DrexelFiladelfia creó accidentalmente una forma de γ-azufre que es estable a temperatura ambiente. El cátodo basado en él ha resistido miles de ciclos de carga y descarga sin disminuir su rendimiento incluso después de un año. Si bien tales desarrollos se encuentran en las primeras etapas de desarrollo, es poco probable que veamos su implementación comercial.

Otra dirección prometedora son las baterías conelectrolito en estado sólido. No solo ofrecen alta capacidad, sino que también eliminan una de las razones de la degradación de las baterías de iones de litio: la deposición de metal de litio en estructuras en forma de árbol (dendritas) desde el ánodo hasta el cátodo. Perforan el separador y pueden provocar un cortocircuito.

Además, el electrolito de estado sólido haráBaterías resistentes a temperaturas negativas. Ahora las baterías de iones de litio funcionan de manera efectiva en un rango de temperatura bastante estrecho, de 0 ° C a + 35 ° C.

A bajas temperaturas, la viscosidad del líquidoelectrolito aumenta bruscamente, y la capacidad de transporte de iones de litio se vuelve difícil. Como resultado, la batería se agota rápidamente. El uso de un electrolito de estado sólido eliminará este problema.

Los fabricantes están trabajando actualmente enbaterías de este tipo. En marzo, Xiaomi presentó su primera batería de estado sólido con una densidad de energía récord de 1000 Wh/L. A modo de comparación, las baterías de iones de litio actuales tienen una capacidad de 693 Wh/l. Quizás el nuevo desarrollo encuentre aplicación en los teléfonos inteligentes a partir de 2024.

En 40 años, las baterías de los teléfonos han recorrido un largo camino desde enormes celdas que se cargan en 6 horas y dan solo una hora de funcionamiento, hasta baterías delgadas con una capacidad de 5000 mAh, que reponen la carga en media hora.

En el futuro, es posible que veamos teléfonos inteligentes a la alturasemanas, y antes tendrás que acordarte de ponerlos a cargar al menos una vez al día. Sin embargo, para la mayoría esto no es un problema, y ​​las tecnologías de carga rápida hacen la vida mucho más fácil.

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