Förstå allt om ditt smartphonebatteri på några minuter

De representerar bara för oss en liten ikon ofta åtföljd av en procentandel, men ändå batterierna i vår smartphones hålla många hemligheter. Från mottagna idéer till fakta, låt oss se vad som döljer sig i en av nyckelkomponenterna i denna dyra telefon.

Våra smartphones har blivit viktiga verktyg, som följer oss överallt, hela tiden. Eftersom portabiliteten är deras största tillgång, har autonomi alltid varit en nyckelfråga i deras demokratisering. Tillverkare och utvecklare optimerar och använder knep för att förlänga användningstider, minska laddningstider och öka batteritiden.

Hur fungerar ett smartphonebatteri?

Bakom den enkla svarta monolitiska beläggningen förlitar sig ett batteri på ett komplext kemiskt system. I princip skiljer sig ett litiumjonbatteri inte så mycket från ett AA-batteri, som ger energi genom jonernas rörelse.

I sin enklaste form består ett batteri av en negativt laddad anod (i rött i diagrammet nedan), en positivt laddad katod (i blått), en ledande vätska som kallas elektrolyten och en semipermeabel separator.

När det gäller ett litiumjonbatteri är anoden gjord av grafit, strukturen på detta element gör att andra komponenter enkelt kan lagras mellan lagren. Här lagras litium, men en av egenskaperna hos litium som alkalimetall är att lätt ladda ur sin perifera elektron, längst bort från atomkärnan, med en liten mängd energi så. Den fria, negativt laddade elektronen kan sedan cirkulera i den elektriska kretsen: detta är den elektrokemiska reaktionen av förlust av elektroner som är specifika för den negativa polen i ett batteri eller en ackumulator.

På sidan av katoden (positiv pol) finner vi just, oftast, positivt laddad koboltoxid, på vilken den fria elektronen kommer att kunna ympas.

För att cirkulera passerar elektronen först genom en hel extern krets kopplad till smarttelefonens olika komponenter, för att landa i katoden och stabilisera koboltatomerna och därigenom skapa en elektrisk ström.

Urladdade från en elektron blir litiumatomerna positiva joner, som sedan förenar katoden genom elektrolyten (och inte en extern krets). Elektrolyten, precis, tillåter cirkulation av litiumjoner från anoden till katoden, medan separatorn förhindrar de två elektroderna från att komma i kontakt, vilket kan orsaka en brand eller en explosion.

När majoriteten av positiva litiumjoner och elektroner har passerat till katodsidan anses batteriet vara urladdat. För att ladda om det måste en kraft appliceras för att producera den motsatta reaktionen: vilket får litiumjonerna och elektronerna att återvända till anoden. I våra nuvarande batterier är detta system beroende av ytterligare komponenter för att säkerställa batterisäkerhet.

Hur slits ett batteri ut?

Det återstår en punkt att ta upp om batteriets kemiska funktion: slitage. Det finns två kemiska reaktioner som orsakar en förlust av kapacitet för ett batteri:

1. Den irreversibla skapandet av fasta avlagringar som är resultatet av en reaktion mellan elektroner, litiumjoner och elektrolyten under omladdning. De grundämnen som omvandlas till en avlagring är därför oanvändbara och minskar den maximala mängden litiumjoner och elektroner i cirkulation.
2. Den överdrivna närvaron av litiumjoner i katoden återvänder inte till anoden trots omkastningen av reaktionen. Detta litium förblir sedan “fast” i katoden.

Dessa fenomen observeras vanligtvis när batteriet är helt urladdat och laddat. De 0 % till 20 % och 80 % till 100 % belastningssegmenten är således mest sannolikt att orsaka dessa problem på grund av den energi som krävs för att flytta de första och sista cellerna från katoden till anoden.

Nuförtiden uppskattar många smartphonetillverkare att ett batteri kommer att orsaka fel när det sjunker under 80 % av sin ursprungliga kapacitet. Hela utmaningen för tillverkare (och till viss del användare) är därför att begränsa energiförbrukningen för smarttelefonen för att minska frekvensen av laddning och därmed slitaget på batteriet.

Hur kan vi optimera användningen av batteriet i våra smartphones?

Nu när vi har sett hur ett smartphonebatteri fungerar ur ett kemiskt perspektiv, låt oss titta på allt som kan påverka dess laddningscykler: hårdvara och mjukvara.

Vikten av valet av andra komponenter

För tillverkare har valet av de olika komponenterna i en smartphone en direkt inverkan på dess autonomi. En OLED-skärm och en LCD-skärm kommer inte att förbruka samma mängd energi. En processor graverad i 5 nm kommer att förbruka mindre energi än en processor graverad i 7 nm. De senaste Bluetooth- och Wi-Fi-standarderna är också mer energieffektiva än sina föregångare.

Det skulle vara långt, tråkigt och onödigt att lista allt, men det viktigaste att komma ihåg är att en smartphones autonomi kan ökas från en modell till nästa utan att batteristorleken ökar, helt enkelt genom att spela på komponenterna.

iOS och Android: Bakom kulisserna optimering

På mjukvarusidan fördubblar utvecklarna sin uppfinningsrikedom för att kräva åtminstone de ovan nämnda komponenterna och i förlängningen batteriet. Hos Apple som hos Google görs många optimeringar från en version av operativsystemet till en annan för att minska energiförbrukningen. Bland dem, låt oss nämna hanteringen av applikationer i bakgrunden, cachelagring av filer eller till och med viloläge, som alla spelar en roll för att bevara batteriet.

På senare tid har gränssnitt börjat ha en positiv inverkan på smartphones autonomi, och dra fördel av ankomsten av “mörka” och “natt” lägen i applikationer, webbplatser och till och med operativsystem. På OLED-skärmar är alla svarta pixlar avstängda, vilket förbrukar ingen ström.

iOS 13 och Android 12 ser också ankomsten av optimerade laddningsfunktioner, som består av att begränsa laddningen av smarttelefonen till 80 % under en lång period för att undvika övergången till 100 % och de relaterade fenomen som vi pratade om tidigare, sannolikt skada batteriet.

Är batterioptimeringsappar verkligen användbara?

Löftet om batterioptimeringsappar kan vara lockande. Installera en applikation för att spara 30 minuter till 2 timmars batteritid, vad kan vara enklare trots allt? Verkligheten är tyvärr mindre uppenbar.

Dessa “optimerare” tenderar att stänga applikationer i bakgrunden som förbrukar för mycket resurser (processor, RAM, Wi-Fi, etc.) för att ytligt förlänga batteritiden. iOS och Android har nu sina egna metoder för att hantera dessa bakgrundsfunktioner, så det är värdelöst eller till och med kontraproduktivt att använda en tredjepartsapplikation, vilket i slutändan skulle störa operativsystemets funktion. Det bör också noteras att få applikationer idag, förutom spel, är så resurskrävande. De mest kända, de från sociala nätverk, har haft gott om tid att förbättra och se sin kod optimerad.

Framtida innovationer inom batteriområdet

Medan litiumjonbatterier har dominerat de senaste tjugo åren, kan trenden mycket väl förändras under de kommande åren. Många tekniska framsteg förväntas inom detta område, och det är dessutom en av uppfinnarna av litiumjonteknik som leder laddningen, med en solid elektrolytbatterimodell som anses särskilt lovande. Kan vi förvänta oss att dessa nya batterier blir nästa banbrytande innovation?

Silikon för att ersätta grafit

Om batterisystemet inte har förändrats så mycket under de senaste decennierna, har de element som utgör det utvecklats och utvecklas fortfarande. Företag som Enovix arbetar nu med att ersätta grafit (en komponent i anoden) med silikon. Detta skulle generera en kapacitetsökning på 50 % jämfört med litiumjonbatterier med motsvarande dimensioner. De första produkterna som marknadsförs med denna teknik väntas i slutet av 2021, men det är fortfarande oklart om silikon på sikt kommer att ersätta kolet i våra batterier.

Solid state-batterier, nästa energirevolution

Många forskningscentra och företag arbetar idag för att skapa framtidens batteri. QuantumScape, ett sådant företag, arbetar nu i samarbete med Volkswagen för att producera solid-state-batterier. Från början till idag har batterier alltid arbetat med en elektrolyt i flytande tillstånd, med välkomna ledande egenskaper. Denna typ av elektrolyt begränsar emellertid användningen av vissa element för anoden och katoden, i synnerhet metaller som försämras snabbt vid kontakt med en vätska.

QuantumScapes mål är nu att utveckla en fast elektrolyt för att ersätta grafit med litiummetall, som är mycket effektivare som anod. Dessa nya material skulle erbjuda ökad kapacitet, men skulle också göra det möjligt att minska vikten på batteriet och att snabba upp laddningen, vilket vida överträffar löftena från de senaste smartphones från OnePlus eller Xiaomi.

Slutligen, och detta är förmodligen den viktigaste punkten: en solid elektrolyt skulle avsevärt minska batterislitaget.