Аккумуляторы для мобильных устройств

Андрей Борзенко

По мнению ряда экспертов, рынок аккумуляторов для электронных устройств оценивается суммой 22 млрд. долл. Аналитики из европейской ассоциации EPBA (European Portable Battery Association) полагают, что производство батарей ежегодно удваивается. Самыми распространенными типами электрохимических источников тока на сегодняшний день являются никелькадмиевые (NiCd), никельметаллгидридные (NiMH), свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA), ионно-литиевые (Li-Ion) и полимерно-литиевые (Li-Polymer). Они используются в сотовых и беспроводных телефонах, видеокамерах и портативных компьютерах, цифровых ассистентах и системах глобального позиционирования GPS, медицинской аппаратуре и бытовой технике.

Ионно-литиевые аккумуляторы

Химические источники тока вырабатывают электрическую энергию за счет прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительных реакций. Они, как правило, состоят из двух электродов (один содержит окислитель, а другой - восстановитель), контактирующих с электролитом. Совокупность электролита и электродов образует электрохимическую систему. На отрицательном электроде восстановитель окисляется и свободные электроны по внешней цепи (если она существует, разумеется) переходят к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя. Химические источники тока делятся на гальванические элементы (первичные), которые после разрядки, как правило, неработоспособны, и аккумуляторы (вторичные) - в них реагенты могут регенерировать при пропускании обратного тока от внешнего источника. Батарея - это несколько соответствующим образом включенных элементов (последовательно, параллельно и т. д.).

Определяющим фактором для всех перечисленных источников тока является портативность. Она подразумевает не только небольшой объем и вес, присущий данным устройствам, но и высокую надежность, а также большое время автономной работы. Недаром к основным параметрам любого такого устройства в первую очередь относится энергетическая плотность (или удельная энергия по массе), измеряемая в ватт-часах на килограмм веса. Помимо этого существует еще ряд параметров, важных для всех аккумуляторов, например, количество циклов заряд - разряд, внутреннее сопротивление, номинальное напряжение, разрядные характеристики, срок хранения, стабильность напряжения под нагрузкой и т. д.

Среди наиболее серьезных игроков на рынке источников тока нужно назвать крупнейшие японские корпорации, такие, как Panasonic, Toshiba, Sanyo, Sony, NEC, Fuji, Hitachi и др.

На любой вкус

Самыми известными на компьютерном и электронном рынках являются никелькадмиевые аккумуляторы, нашедшие широкое применение еще с 50-х годов. Они характеризуются энергетической плотностью порядка 40-60 Вт ч/кг и обеспечивают до 1500 циклов заряд - разряд (до двух лет эксплуатации). Несмотря на довольно высокую скорость саморазряда (до 20% в месяц), данные источники тока весьма дешевы и хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации. Во многих портативных приемниках, на медицинском оборудовании, в профессиональных видеокамерах используются именно эти аккумуляторы. К основным недостаткам никелькадмиевых батарей относится так называемый эффект памяти (memory effect), который заключается в уменьшении полезной емкости аккумулятора при его неполной разрядке. Например, если батарея была разряжена на 75% емкости, а затем снова заряжена, то она зарядится только на 75% своей номинальной емкости, а время ее работы уменьшится примерно на 25%. Именно поэтому главным требованием для сохранения срока службы подобных источников тока является их полная разрядка.

Никельметаллгидридные аккумуляторы используются с начала 90-х годов и в меньшей степени подвержены этому эффекту. Кроме того, они имеют более высокую емкость: энергетическая плотность достигает 75 Вт ч/кг. С другой стороны, они дороже, а вот срок их службы меньше: до 500 циклов заряд - разряд, да и ток нагрузки ниже. Несмотря на то, что емкость подобных устройств на 30% превышает аналогичный параметр никелькадмиевых аккумуляторов, время для их заряда увеличивается примерно на 20%. Зато они не используют кадмий, утилизация которого непростое дело.

Свинцово-кислотные аккумуляторы хорошо известны всем автолюбителям. Стартерные батареи строятся именно на подобных источниках тока. SLA-аккумуляторы относятся к категории необслуживаемых в том смысле, что в процессе своей эксплуатации не требуют долива воды (электролита). Они весьма дешевы и характеризуются, пожалуй, самой невысокой энергетической плотностью - всего 30 Вт ч/кг. Чаще всего данные батареи используются там, где вес не является критичным параметром: в медицинском оборудовании, инвалидных колясках, источниках бесперебойного питания. Число циклов заряд - разряд может достигать 200-300.

Ионно-литиевые аккумуляторы были изобретены еще в 1940 г., однако их промышленное использование началось только в 1991-м. Они обеспечивают довольно высокую энергетическую плотность (100 Вт · ч/кг), за которую, правда, приходится и немало платить. Этот тип батарей один из самых дорогих, хотя именно он находит применение в портативных компьютерах, современных камкодерах, последних моделях сотовых телефонов и других телекоммуникационных устройствах. Ионно-литиевые батареи обеспечивают от 300 до 500 циклов заряд - разряд. При тех же геометрических размерах, что и у никелькадмиевых, данный тип аккумуляторов обеспечивает втрое большее время работы. Например, на портативном компьютере IBM ThinkPad 560, оснащенном батареями Electrofuel PowerPad 160, удалось достичь времени автономной работы в 15 часов.

Полимерно-литиевые аккумуляторы могут служить недорогой заменой для своих ионно-литиевых собратьев. Они обладают еще более высокой энергетической плотностью (175 Вт ч/кг) и малым током разряда, но их использование ограничено низким током нагрузки. Типичное количество циклов заряд - разряд не превышает 150.

Особое внимание - литию

По данным экспертов корпорации Varta (http://www.varta.de), с 2000 года начнется сокращение доли рынка не только никелькадмиевых, но и никельметаллгидридных устройств. Они будут повсеместно заменяться на разновидности литиевых батарей.

В прошлом году появление коммерческих версий полимерно-литиевых источников тока наделало много шума среди фирм - производителей аккумуляторов, однако трудности технологии изготовления пока сдерживают широкое производство подобных аккумуляторов. По мнению ряда аналитиков, в первую очередь их массовое использование должно начаться в мобильных коммуникаторах и сотовых телефонах следующего поколения.

Корпорация Panasonic (http://www.panasonic.com) освоила производство полимерно-литиевых аккумуляторов еще в январе прошлого года и довела их выпуск до 300 тыс. шт. в месяц. Другой компанией, сосредоточившей свои усилия на выпуске этих устройств, стала Saft America, которая дала им собственное название - Polytium.

Японский гигант Sanyo большую часть продукции в 1999 году отгружал для беспроводных устройств таких известных фирм, как Qualcomm, Motorola и др. Но новые полимерно-литиевые аккумуляторы были поставлены в начале года специально для телекоммуникационной корпорации Nokia.

Хорошо известная своей надежной продукцией компания Sony Electronics (http://www.sony.com) совсем недавно вышла на рынок полимерно-литиевых источников тока. К концу этого года их выпуск должен достигнуть миллиона единиц в месяц. Не следует также забывать, что именно Sony первой освоила коммерческое использование ионно-литиевых батарей.

Корпорация Toshiba (http://www.toshiba.com), сосредоточившая основные усилия на производстве никельметаллгидридных и ионно-литиевых аккумуляторов, также включилась в подготовительные работы для выхода на новый для нее рынок.

Альтернатива или дополнение?

До недавнего времени для питания портативного электронного оборудования перезаряжаемым электрохимическим источникам тока альтернативы практически не было. Однако за последние годы были достигнуты значительные успехи в области разработки и создания так называемых двухслойных конденсаторов (Double Layer Capacitor, DLC), которые, как предсказывают многие эксперты, вполне могут составить серьезную конкуренцию литиевым аккумуляторам. Так, компания ELNA предлагает серию подобных устройств под названием Dynacap, имеющих емкость от 0,047 до 100 фарад и рабочее напряжение от 2,5 до 6,3 В (в зависимости от серии). Поскольку в Dynacap, в отличие от химических источников тока, не используются тяжелые металлы (литий, кадмий, никель), их вес существенно ниже, да и геометрические размеры меньше. Если химический процесс заряда ионно-литиевого аккумулятора длится часами, то DLC достигают 80% своей емкости за 30-60 секунд. О количестве циклов разряд - заряд и говорить нечего. По сравнению с 500-1000 перезарядками обычного аккумулятора двухслойные конденсаторы могут обеспечить без потери номинальной емкости более миллиона перезарядок. Нет у Dynacap и ограничения на разрядный ток. А ведь, как известно, при использовании аккумуляторов необходимы специальные схемы, которые предотвращают возможное повреждение батареи.

В начале февраля 2000 г. корпорация Cooper Electronic Technologies анонсировала новое поколение электрохимических DLC (Electrochemical DLC, EDLC) - PowerStor Aerogel Capacitor. Они имеют объемную емкость, в 2000 раз превосходящую емкость обычных алюминиевых электролитических конденсаторов, и сверхнизкий ток утечки. Удельная емкость PowerStor достигает 4000 Вт/кг, что в 10 раз превышает аналогичный параметр ионно-литиевого аккумулятора.

Специалисты корпорации видят для новых устройств две основные сферы применения. Во-первых, их можно использовать в качестве источников большого тока на случай сбоев основного электропитания. Во-вторых, эти суперконденсаторы могут служить мостом между аккумуляторами и электронной схемой, поскольку запасают в тысячи раз больше энергии, чем обычные конденсаторы. При этом они еще удлиняют время автономной работы основной батареи и позволяют использовать ее наиболее эффективно.

По понятным причинам наиболее подходящими кандидатами для применения PowerStor являются беспроводные телекоммуникационные устройства, двухсторонние пейджеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры и различная потребительская электроника.

Впрочем, конкуренцию DLC вполне могут составить аккумуляторы типа PPE (Proton Polymer Electrochemical), разработанные в корпорации NEC (http://www.nec.com) специально для портативных приложений. Энергетическая плотность подобных устройств соответствует свинцовым аккумуляторам, однако ток разряда у них в 20 раз больше.

В отличие от ионно-литиевых и никельметаллгидридных аккумуляторов данные источники тока рассчитаны именно на выравнивание импульсной нагрузки, какую потребляют обычно сотовые телефоны и прочие мобильные устройства. Заметим, что емкость новых устройств в 10 раз превышает емкость DLC. Массовый выпуск аккумуляторов нового типа намечен на осень 2000 г. Корпорация планирует использовать их в качестве основного источника тока для радиомодулей Bluetooth-устройств.

Статья опубликована в PC Week/RE № (245)23 от 7/4/00, стр. 12
Перепечатывается с разрешения автора.