همه چیز در مورد ساختار و نحوه عملکرد باتری گوشی

دانستن این موضوع که عملکرد باتری گوشی چگونه است و چه راه‌کارهایی برای بهبود عملکرد باطری گوشی می‌توان در نظر گرفت، موضوع بسیار مهمی برای افزایش طول عمر آن است.

باتری‌ها از تلفن‌های هوشمند گرفته تا اتومبیل‌ها‌ی‌ برقی، زندگی مدرن امروزی را سوخت‌رسانی می‌کنند، اما عملکرد آنها و به خصوص عملکرد باتری گوشی چگونه است؟ چرا بعضی از آنها طول عمر زیادی ندارند؟ و یا همانطور که ممکن است کاربران سامسونگ از خود بپرسند چرا آنها منفجر می‌شوند؟ در حقیقت نوع باتری و ساختار آن بسیار موضوع حائز اهمیتی است. زمانی که گوشی گلکسی نوت 7 سامسونگ عرضه شد، همه آن را به خاطر نوع باتری به کار رفته در آن و همچنین طول عمرش تحسین می‌کردند و حتی به خاطر نوع باتری، این گوشی توانست رقبای اصلی خود یعنی آیفون 6 اس و آیفون 7 پلاس را پشت سر بگذارد. اما مدتی پس از عرضه این گوشی، باتری آن در چندین دستگاه به ناگهان منفجر شد. پس از آن بود که سامسونگ فراخوانی صادر کرد تا همه این گوشی‌ها را جمع‌آوری کند و سری جدید گوشی‌های گلکسی نوت 7 را جایگزین آن کند. اما این بار هم متاسفانه دوباره باتری‌های جدید گوشی‌های سامسونگ گلکسی نوت در چندین دستگاه منفجر شد که در نهایت سامسونگ مجبور شد خط تولید این گوشی را به حالت تعلیق در بیاورد.

در ویدیوی زیر می‌توانید با «نحوه بالا بردن عملکرد باطری گوشی» بیشتر آشنا شوید.

به خاطر اینکه امروزه سرعت پردازنده‌های موبایل هر 18 ماه دو برابر می‌شود، به همان نسبت باعث افزایش مصرف باتری می‌شود. اما تقریبا ده سالی هست که ظرفیت باتری‌ها ثابت مانده و تغییری نکرده است. همین فاصله بین باتری و پردازنده باعث شده تا شارژ باتری گوشی‌ها خیلی زود تمام شود. تلاش سامسونگ برای ارائه باتری با کیفیت‌تر به همراه طول عمر زیادتر گران تمام شد و اقدامات سامسونگ برای برطرف کردن مشکل باتری گوشی گلکسی نوت 7 با شکست مواجه شد. در ادامه بیشتر به نوع باتری و ساختار آن می‌پردازیم، پس همراه ما در پلازامگ باشید.

آنچه در ادامه می‌خوانید:

ساختار باتری های موبایل چگونه است؟

باتری‌ها یک منبع کوچک انرژی شیمیایی هستند. وقتی تلفن هوشمند به برق متصل می‌شود، برق برای تنظیم مجدد یک واکنش شیمیایی در باتری مورد استفاده قرار می‌گیرد و الکترون‌ها از آند (قطب منفی) به کاتد (قطب مثبت) انتقال می‌یابند. پس از اینکه شارژ گوشی به پایان رسید، باتری می‌تواند با هدایت الکترون‌ها از طریق مدار برق ایجاد کند. یون‌های لیتیوم با بار مثبت بر حسب نیاز در تلفن‌های هوشمند از طریق الکترولیت از آند به الکترون‌های کاتدی منتقل می‌شوند و به آند برمی‌گردند. این کار را تا زمانی که تمام الکترون‌های موجود در باتری به آند یا یک توکار منتقل شوند و نیز یک سوییچ داخلی در باتری جریان را قطع کند، ادامه پیدا می‌کند.

باتری از چه موادی تشکیل شده است؟

درون یک باتری معمولی شما یک آند، یک کاتد و الکترولیت دارید، چیزی که یون‌های مثبت از آن عبور می‌کنند. در باتری‌های لیتیوم یونی که در اکثر موبایل‌های هوشمند و وسایل الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند، یک کاتد اکسید فلز متشکل از مخلوط کبالت، نیکل، منگنز یا آهن و نیز یک آند گرافیت متخلخل که یون‌های لیتیوم را درون خود نگه می‌دارد و یک الکترولیت نمک لیتیوم وجود دارد. عملکرد باتری گوشی به این صورت است که لیتیوم یون‌ها با بار مثبت از طریق الکترولیت از قطب منفی باتری (آند) به قطب مثبت (کاتد الکترون) آن انتقال داده می‌شوند و در این صورت الکترودها در مدار موبایل جریان پیدا می‌کنند و سپس دوباره به آند (قطب منفی) برمی‌گردند.

علت کافی نبودن عمر و عملکرد باتری گوشی

اساس و پایه ساختار باتری ممکن است ساده به نظر برسد، اما ترکیبات شیمی و همچنین فناوری مورد استفاده در آن که باعث کار کردن باتری می‌شود، کار چندان راحت و ساده‌ای نیست. عامل اصلی محدود کننده ظرفیت باتری‌ها، چگالی انرژی آنها است؛ زیرا یک باتری فقط می‌تواند به اندازه اجزای شیمیایی آن انرژی ذخیره کند و امکان تولید برق بیش از این مقدار مقدور نیست. هر چیزی که ماده فعال در درون باتری نباشد و در جریان تولید و عملکرد باطری گوشی نقشی نداشته باشد، مانند قاب باطری، تراشه‌های کنترل کننده و سیم‌های انتقال دهنده جریان برق، به اصطلاح وزن مرده هستند و درست است که باعث افزایش وزن باتری می‌شوند، اما هیچ نیرویی تولید نمی‌کنند.

یک باتری لیتیوم یونی در تلفن‌های هوشمند معمولی دارای چگالی انرژی در حدود 150 وات ساعت در هر کیلوگرم است. در حالی که چگالی انرژی باتری لیتیوم یونی از زمان معرفی آن در اوایل دهه 1990 بهبود یافته و پیشرفت‌های قابل قبولی داشته، اما ساختار و مواد تشکیل دهنده آن تغییر خاصی نداشته است. تنها راه افزایش بهبود عملکرد باتری گوشی بر اساس فناوری حال حاضر، بهینه‌سازی مصرف انرژی در موبایل‌ها و همچنین استفاده از باتری‌های بزرگتر است. اما تلفن‌های هوشمند امروزی که ضخامت نازکتری دارند، باتری آن‌ها نیز به همان اندازه نازک می‌شود.

چرا عملکرد باطری گوشی به تدریج کاهش پیدا می کند؟

عمر باتری‌ گوشی‌های هوشمند امروزی ثابت نیست و با گذشت زمان و با تخلیه و شارژ مکرر کاهش پیدا می‌کند؛ زیرا واکنش شیمیایی تولیدکننده الکتریسیته باعث می‌شود لایه‌های نازکی از لیتیوم بر روی الکترودها قرار بگیرند و همین امر منجر به کاهش میزان تولید برق و همچنین افزایش مقاومت داخلی باتری می‌شود. هرچه مقاومت بیشتر شود، باتری برای حفظ ولتاژ قابل استفاده بیشتر کار می‌کند و بنابراین میزان برق تولید شده در هر بار شارژ کاهش می‌یابد. احتمالا فرمول زیر را از زمان مدرسه به یاد داشته باشید:

ولتاژ = مقاومت X جریان

چرا برخی از باتری ها منفجر می شوند؟

باتری‌هایی با چگالی انرژی بسیار بالاتر از باتری‌های لیتیوم در حال حاضر موجود هستند، اما برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابل حمل به اندازه کافی ایمن نیستند. دکتر بیلی وو، مدرس  دانشکده مهندسی طراحی دایسون مرکز دانشگاهی مهندسی طراحی در کالج امپریال لندن می‌گوید:

هرچه انرژی بیشتری در یک باتری جمع شود، به همان اندازه خطرناک‌تر نیز خواهد بود.

امنیت در ساخت باتری و همچنین مدیریت حرارتی (الکترونیکی) یکی از مهمترین نکات کلیدی هستند که باید به آن توجه کرد. وقتی دمای باتری به بالاتر از 80 درجه سانتیگراد برسد، اتفاقی می‌افتد که به اصطلاح به آن فرار حرارتی می‌گویند و در این حالت اجزای باتری شروع به تجزیه شدن می‌کنند و این زمانی است که باتری منفجر می‌شود. علت خاص مشکلات مربوط به انفجار باتری گوشی سامسونگ، به خصوص سامسونگ نوت 7 هنوز مشخص نیست، اما این شرکت مشکل را مربوط به سلول‌های باتری مطرح کرده است.

در صنعت باتری سازی چه اتفاقاتی رخ خواهد داد؟

محققان در تلاش هستند تا فناوری‌های موجود در ساخت باتری‌های لیتیوم یونی را بیشتر با محدودیت‌های نظری مطابقت دهند که این امر باعث افزایش چگالی انرژی باتری‌ها و همچنین عملکرد بهتر باتری گوشی می‌شود. یک باتری معمولی لیتیوم یونی که از اکسید منگنز استفاده می‌کند، دارای چگالی قدرت نظری 280 وات بر کیلوگرم است، اما محصول نهایی یا همان چگالی انرژی باتری تولید شده فقط 150 وات ساعت بر کیلوگرم دارد، بنابراین مطمئنا جایی برای پیشرفت هنوز باقیست.

وو (Wu) که یکی از کارشناسان این امر است، می‌گوید که برای بهینه‌سازی یا عملکرد بهتر باطری گوشی، ساختار درون باتری باید تقویت شود. او همچنین می‌گوید که باتری در درون خود یک فضای متخلخل و پر از ماده فعال دارد. برای تولید انرژی بالاتر توسط باتری، شما به ساختار متخلخل بیشتری نیاز دارید تا سطح را افزایش دهید تا بارهای لیتیوم یونی بیشتری بتوانند عبور کنند. اما به دلیل اینکه این فضای متخلخل سوراخ‌های بیشتری دارند و مواد کمتری را در خود جای می‌دهند، باعث می‌شود تا ظرفیت باتری نیز به همان اندازه کاهش پیدا کند. در حال حاضر کمپانی‌های انگلیسی در حال کار کردن بر روی باتری‌های شیمیایی جدید و پیشرفته مثل لیتیوم گوگرد و لیتیوم سیلیکون و همچنین توسعه این فناوری هستند.

آینده صنعت ساخت باتری چگونه خواهد بود؟

احتمالا باتری‌هایی که حالت جامد دارند، یکی از گزینه‌های احتمالی مطلوب در آینده خواهند بود که در آن الکترولیت مایع موجود در باتری با یک ماده جامد جایگزین می‌شود و این امر پیشرفت‌های چشمگیری در افزایش ایمنی ایجاد می‌کند. وو توضیح می‌دهد که مزیت اصلی باتری‌های حالت جامد این است که می‌توانید از لیتیوم به عنوان ماده آند استفاده کنید؛‌ زیرا دارای قدرت و چگالی انرژی بسیار خوبی است، اما با الکترولیت‌های مایع این کار امکان‌پذیر نیست و بسیار خطرناک است. باتری‌های لیتیوم یونی حالت جامد نیاز به آند کربن متخلخل را برطرف می‌کنند و بنابراین وزن بیشتری از باتری را که به تولید برق کمکی نمی‌کند، کاهش می‌دهد.

باتری‌های فلز -هوا که با استفاده از روی، لیتیوم یا آلومینیوم ساخته می‌شوند (باتری‌هایی که جریان برق در آن‌ها از واکنش روی با اکسیژن هوا ایجاد می‌شود) می‌توانند یکی دیگر از منابع تأمین انرژی وسایل الکترونیکی در آینده باشند، اما بر اساس عقیده وو احتمالا 20 سال با اجرای آن فاصله داریم.

نحوه بالا بردن عملکرد باتری گوشی به چه صورت است؟

چندین راه حل وجود دارد که می‌توانید از آنها برای افزایش عملکرد باطری گوشی خود استفاده کنید. ماهیت واکنش شیمیایی پیوسته در درون باتری به این معنی است که در 20٪ تخلیه آخر و بیش از 80٪ شارژ، باتری گوشی باید بیشتر کار کند. نگه داشتن باتری لیتیوم یونی تقریباً بین 80٪ و 20٪ شارژ به آن کمک می‌کند تا مقدار بیشتری از ظرفیت خود را برای مدت طولانی‌تری حفظ کند. به عبارت دیگر این کار باعث افزایش طول عمر باتری گوشی می‌شود.

در حال حاضر سیستم‌های هوشمند مدیریت انرژی در حال توسعه هستند و وقتی که در طول شارژ شبانه گوشی خود را به برق متصل می‌کنید، این سیستم‌های هوشمند مانع از شارژ بیش از 80٪ گوشی می‌شوند. هرگز نباید باتری‌های گوشی و یا لپ‌تاب را به طور مداوم به برق وصل کرد و اگر گوشی‌ها به طور مداوم شارژ و تخلیه شوند، عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

کلام آخر

بهترین راه برای صرفه جویی در مصرف باتری این است که بفهمید تخلیه انرژی شما از کجا ناشی می‌شود و سعی کنید آن را از اساس و ریشه درست کنید. امیدواریم با کمک این مقاله متوجه شده باشید که ساختار و عملکرد باتری گوشی به چه صورت است و مانند ما باتری‌هایی با طول عمر زیاد داشته باشید.