Techbox: Bez baterie se mobilní telefon neobejde

Tento článek je pátým dílem našeho nového seriálu Techbox, ve kterém budeme postupně rozebírat a vysvětlovat fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.

Bez baterií se neobejde pouze váš mobilní telefon, ale dnes si bez nich prakticky nedovedeme představit své životy. Žijeme v digitální době a všechny naše elektronické hračky potřebují ke svému provozu elektřiny, abychom nemuseli nosit na zádech velkou špulku kabelu a nebyli ve svém pohybu omezeni tím, kam dosáhne, potřebujeme baterie.

Historie baterie však není záležitostí posledních století, ale táhne se mnohem hlouběji do minulosti. Důkaz o tom přinesl těsně před druhou světovou válkou německý archeolog Wilhelm König, ředitel Iráckého Národního muzea, který v roce 1938 objevil u Khujut Rabu nedaleko Bagdádu netradiční nádobu.

Nádoba je velká asi jako pěst. Je vysoká asi 13 centimetrů a je tvořena hliněnou schránkou, která měla pravděpodobně asfaltovou zátku. Tou procházel železný, působením kyseliny zoxidovaný 7,5 centimetru dlouhý drát. Uvnitř pak byl měděný váleček. Königovi nádoba nápadně připomněla galvanický článek, ale pokusy s ní přerušila II. světová válka. Až po jejím skončení v pokusech pokračoval americký vědec Willard Gray. Zjistilo se, že pokud se do tohoto zařízení nalije šťáva z vylisovaných vinných hroznů, dostaneme zdroj stejnosměrného napětí. Gray postavil několik reprodukčních vzorků, které po zapojení poskytovaly napětí přibližně dva volty. Povedlo se přitom prokázat, že tyto elektrické články, nazývané Bagdádská baterie, se výborně hodí ke galvanickému pokovování.

Bagdádská baterie přitom byla sestrojena v době obsazení Mezopotámie Parthy mezi léty 140 př. n. l. a 225 n. l. Pokusy italského fyzika Alessandra Volty (1745 - 1827), který po roce 1789 experimentoval se stejnosměrnou elektřinou a v roce 1799 sestrojil první elektrický článek – Voltův sloup, se v tomto světle zdají být spíše znovuobjevením zapomenutého než objevením něčeho nového. Jeho Voltův sloup je tvořen několika sériově zapojenými elektrickými články se zinkovou a měděnou elektrodou. K jeho sestrojení použil měděné a zinkové plíšky, které proložil plátky kůže navlhčené okyseleným roztokem.

Až do nástupu elektrických generátorů a elektrických rozvodných sítí na konci 19. století, pak byly baterie hlavním zdrojem elektrické energie, ale ani poté neztratily nic na důležitost. Postupné vylepšování technologií baterií a zvyšování jejich kapacity vedlo k rozvoji telegrafů, telefonů a později přenosných počítačů, mobilních telefonů a dalších přenosných elektrických zařízení. A byl to právě nástup mobilních telefonů a podobných zařízení, který raketově urychlil vývoj nových typů baterií.

Jak fungují baterie

Je nutné si říci, že všechny druhy baterií fungují na základě stejných staletími prověřených principů. Jejich základem je galvanický článek, ve kterém se chemickou reakcí vytváří elektrické napětí. Galvanický článek je tvořen dvěma elektrodami, kladnou katodou a zápornou anodou, které obklopuje elektrolyt, což je kapalný nebo tuhý roztok vedoucí elektrický proud.

Elektrické napětí článku je dáno rozdílem elektrických potenciálů na elektrodách a ten v nich vzniká chemickou reakcí mezi elektrodou a elektrolytem. Když takový galvanický článek zapojíte do elektrického obvodu, probíhají v něm chemické reakce, které uvolňují elektrickou energii uloženou v článku, a ten se postupně vybíjí.

V podstatě můžeme baterie rozdělit do dvou základních typů - tzv. primární články, u kterých je vybíjení nevratný proces a napětí článku se po vybití nedá obnovit. To jsou všechny ty baterie na jedno použití. Ty nás v případě mobilních telefonů nebudou zajímat. Představte si, že byste si museli po každém vybití telefonu kupovat nové baterky. Nás proto zajímají tzv. sekundární články neboli akumulátory, u kterých jsou chemické procesy vratné a po jejich vybití se dají znovu nabít.

Jak takový sekundární galvanický článek funguje, si ukážeme na příkladu olověného článku, který je běžně používaný v automobilech. V tomto případě je záporná anoda vyrobená z houbovitého olova (Pb) a kladná katoda z oxidu olovičitého (PbO₂). Tyto elektrody jsou ponořené do elektrolytu, jímž je vodou zředěná kyselina sírová (H₂SO₄). U plně nabitého akumulátoru je její koncentrace přibližně 35 procent.

Když článek vybíjíme, vzniká chemickou reakcí elektrod a elektrolytu síran olovnatý (PbSO₄) a klesá tak koncentrace kyseliny ve vodě. Jakmile však k němu připojíme zdroj stejnosměrného napětí (nabíječku), začnou tyto chemické reakce probíhat opačně, síran olovnatý se rozkládá a koncentrace kyseliny opět roste. Obdobně fungují i jiné druhy akumulátorů. Rozdíl je pouze u použitých materiálech na elektrody a elektrolyt.

Jak měříme kapacitu

Celkový náboj, který je při plném nabití schopen pojmout galvanický článek se udává v jednotkách Ampérhodina (Ah). Je definován jako náboj, který článek dodává do obvodu při konstantním proudu 1 ampér za dobu 1 hodiny. U drobných článků, mezi které patří i akumulátory mobilní se používá jednotka mAh (miliampérhodina), kde platí, že 1 Ah = 1000 mAh. V podstatě je to ukazatel, jak dlouho akumulátor vydrží v chodu.

Každý typ mobilního telefonu, operační systém nebo model však má jinou spotřebu. Například hloupé telefony s malým nedotykovým displejem i s malou kapacitou vydrží třeba týden, zatímco moderní dotykové smartphony s velkými akumulátory musíte nabíjet každý den.

Značné rozdíly jsou však i u smartphonů mezi jednotlivými operačními systémy. Obecně platí, že například Android je mnohem žravější než Windows Phone, takže když vedle sebe postavíte například Nokii Lumii 620 s Windows Phone 8 a Sony Xperia P s Androidem, které mají téměř shodnou kapacitu akumulátoru (Nokia - 1300 mAh, Sony - 1305 mAh), pak Nokia vám díky odladěnějšímu systému a funkcím pro úsporu energie vydrží mnohem déle. Podle kapacity tak můžeme porovnávat baterie pouze do jednoho konkrétního telefonu.

Dalším významným údajem, který nás u akumulátorů zajímá, je tzv. nabíjecí cyklus, jejichž počet určuje životnost akumulátoru. Pokud máme například akumulátor s 500 nabíjecími cykly, tak to znamená, že ho můžeme 500x zcela vybít a 500x zcela nabít (mohou zde být odchylky v počtu cyklů nahoru i dolů, podle toho, jak se k němu chováme) než kapacita baterie klesne pod únosnou mez.

Při vývoji nových typů akumulátorů se tak dbá nejen na zvyšování kapacity a zkracování doby nabíjení, ale také na zvyšování počtu nabíjecích cyklů, protože z hlediska životnosti takového akumulátoru je rozhodně rozdíl, když musíte nabíjet denně a když nabíjíte jednou za týden.

První Ni-Cd baterie do mobilních telefonů byly obrovské

První mobilní telefon DynaTAC, který v roce 1973 představil americký vynálezce a zaměstnanec Motoroly Martin Cooper vážil 1,143 kilogramů a na délku měřila více než 25 centimetrů. Není divu, že si hned vysloužila přezdívku "cihla" nebo "bota". Nezanedbatelný podíl na jeho hmotností přitom měla i samotná Niklo-kadmiová baterie (Ni-Cd), která vážila 850,486 gramů. Navíc její kapacita vystačila na pouhých 20 minut hovoru a nabíjela se 10 hodin. Vývoj však jde rychle dál a tak se do roku 1983 podaří zmenšit mobilní telefon na polovinu původní váhy.

V té době, kdy byly mobilní telefony v plenkách, se jednalo o jediný použitelný typ akumulátoru. Ni-Cd akumulátory byly populární zejména v 80. – 90. letech minulého století. Dnes se však již pro mobilní telefony nepoužívají. Jak již samotný název napovídá, u těchto akumulátorů je kladná elektroda tvořena z oxid-hydroxidu niklitého - NiO(OH) a záporná elektroda je z kadmia - Cd. Jako elektrolyt je v tomto případě použit zásaditý roztok hydroxidu draselného.

Její hlavní výhodou je, že jí nevadí skladování ve vybitém stavu a je tak odolná vůči hlubokému vybití. Další velkou výhodou je pak dlouhá životnost, která může dosahovat až 1200 nabíjecích cyklů.

Nevýhody však převažují. Ni-Cd akumulátory nemají takovou kapacitu jako mladší typy akumulátorů a navíc jsou také větší a těžší. Navíc Kadmium, ze kterého je vyrobena záporná elektroda je vysoce toxické a proto se tyto akumulátory nesměly vyhazovat do odpadu, ale pouze odevzdávat ve sběrných dvorech.

Tento typ akumulátorů také trpí tzv. Paměťovým efektem, což je snížení kapacity baterie, pokud dobíjíte baterii, která není kompletně vybitá. S tímto druhem baterie jste si nemohli dovolit dnes běžnou praxi, kdy strčíte telefon do nabíječky, když vidíte, že je téměř vybitý. Pokud byste to udělali s například na 50 procent nabitým Ni-Cd akumulátorem, tak vás to mohlo stát až 10 procent kapacity.

Jediným způsobem, jak alespoň částečně obnovit kapacitu takto poničené baterii, bylo tzv. Formátování baterie. To spočívalo v několikanásobném úplném vybití a následném úplném nabití baterie. Tento cyklus bylo dobré opakovat aspoň dvakrát nebo třikrát a doporučovalo se aspoň jednou za měsíc takto baterii zformátovat. V každém případě jste si museli dávat pozor i na nadměrné přebíjení. Baterie nesměla být v nabíječce déle než 24 hodin.

Kadmium nahradily vzácné kovy

Problémy s toxicitou kadmia, malou kapacitou a paměťovým efektem se podařilo vyřešit v Ni-MH akumulátorech, které se objevily na trhu po více než dvou dekádách vývoje v roce 1989. Stejně jako u předcházejícího typu je i u nich kladná elektroda z oxid-hydroxidu niklitého - NiO(OH). Na zápornou elektrodu však byla použita speciální kovová slitina, která je schopná vázat vodík. Ta je většinou složena z niklu, kobaltu, manganu, eventuálně hliníku a některých vzácných kovů, jako je lanthan, cer, neodym, praseodym. Jako elektrolyt je i v tomto případě použit zásaditý roztok hydroxidu draselného.

Kromě odstranění nebezpečného kadmia je hlavní výhodou těchto baterií zdvojnásobení kapacity ve stejném objemu proti Ni-Cd. U této baterie je navíc také více potlačen paměťový efekt, přesto však ani zde se nevyhnete formátování baterie, které však nemusí být tak časté a stačí ho provést jednou za tři měsíce. Na druhou stranu, cenou za tyto vylepšení bylo zásadní snížení nabíjecích cyklů, které baterie zvládla. Jestliže, u Ni-Cd to bylo až 1200 cyklů v tomto případě to bylo jen 500 – 600 cyklů.

Nejrozšířenější typ baterií

Jestliže Ni-MH baterie byla jen mírnou evolucí starší Ni-Cd baterie, pak Lithium-iontová baterie (Li-ion) je důkazem, že se vývoj akumulátorů nezastavil. Jako materiál pro anodu je zde použito lithium vázané v grafitu, katoda je z oxidu lithio-kobaltitého a elektrolyt tvoří lithiové soli v organickém rozpouštědle.

Přestože první experimenty prováděl americký chemik G. N. Lewis již v roce 1912 a jejich návrh se objevil v roce 1960, první komerční verzi vyrobila firma Sony až v roce 1991. Dnes se jedná o nejpoužívanější typ nejen u mobilních telefonů, ale u spotřební elektroniky obecně.

Za popularitu tohoto typu baterie může především její dlouhá životnost, která dosahuje 500–2000 nabíjecích cyklů, a vysoká kapacita při malém objemu a hmotnosti. Proti Ni-Cd akumulátoru má šestinásobnou měrnou energii a více než pětinásobnou hustotu energie, což umožnilo vyrobit mnohem menší a lehčí baterie, které však mají velkou kapacitu.

Další výhodou těchto baterií je, že se u nich již podařilo odstranit paměťový efekt a baterie je tak již možné nabíjet kdykoli a není ji ani nutné formátovat a také u nich téměř neexistuje samovybíjení. Takže baterii můžete nechat nabitou několik měsíců.

Na druhou stranu, tyto baterie jsou citlivé na to, jak je používáte a při jejich používání musíte dodržovat jistá pravidla. Při extrémním přebití totiž u nich reálně hrozí exploze a naopak při extrémním vybití může dojít k okamžitému a nevratnému poškození. Každá baterie je nicméně vybavena čipem, který hlídá stav a kontroluje průběh nabíjení. Jeho cílem je těmto extrémním situacím zabránit, ale také zvyšují cenu baterií, která je až dvojnásobná proti starším typům.

Tyto baterie také stárnou a ztrácí maximální kapacitu nehledě na to, jestli je používáte nebo ne. Při vyšších teplotách, vyšším stavem nabití a vyšším vybíjecím zatížením baterie se toto stárnutí zrychluje. Na rozdíl od předchozích typů, které vyžadovaly úplné vybití, to těmto bateriím vadí a pokud se dostane pod napětí 2,8 V, tak je velmi těžké oživit a pokud jí necháte vybitou příliš dlouho, tak už se vám to nemusí podařit vůbec.

Budoucnost je v polymerech

Vývojově nejmladším typem baterií použitým v mobilních telefonech je Lithium-polymerový akumulátor (Li-pol, LiPo). Tento relativně nový typ baterií konstrukčně vychází z Li-ion baterií, ale jako elektrolyt zde již není použit kapalný roztok, ale tuhý vodivý gel (polyethyleneoxid). To umožňuje vyrábět velice tenké, malé a lehké baterie libovolných tvarů při zachování všech výhod Li-ion baterií. V oblasti spotřební elektroniky se tyto baterie začínají objevovat po roce 1995. Dosud se však používají zejména u dražších modelů, protože jejich cena je stále ještě vyšší než u Li-ion baterií. S masovější výrobou však má potenciál být levnější než Li-ion baterie.

Li-pol baterie si zachovávají všechny výhody Li-ion baterií, ale ještě je zlepšují. Například, co se týče kapacity na malém prostoru, tak pokud bychom použily u Li-pol baterie stejnou velikost jako u Ni-Cd, tak by Li-pol baterie nabízela čtyřikrát vyšší kapacitu.

Stejně jako jsou shodné výhody, tak Li-pol baterie sdílí s Li-ion i nevýhody. Také zde hrozí při extrémním přebití exploze a naopak při extrémním vybití dochází k nevratnému poškození. Li-pol však proti Li-ion mají delší dobu nabíjení a alespoň ve svých počátcích také mnohem kratší životnost.

První Li-pol baterie měly životnost pouhých 200 nabíjecích cyklů, ale tuto dobu se již podařilo radikálně prodloužit. Některé z dnešních Li-pol baterií již dosahují životnosti více než tisíc nabíjecích cyklů. Budoucnost pak patří tenkovrstvým lithiovým bateriím. Ty budou složené z vrstev, jejíž síla se bude pohybovat v mikrometrech nebo dokonce nanometrech. To umožní vytvořit baterie, které budou jen milimetry tenké, budou mít obrovskou kapacitu a životnost 10 000 nabíjecích cyklů.