Výkonové prvky moderních mobilních telefonů / chytrých telefonů
Vývoj mobilních telefonů byl dlouho charakterizován výhradně superlativy – nejvýkonnější, nejrychlejší atd. Uprostřed celé této dominance megabajtů a megapixelů však existuje jedna jediná charakteristika, která se s dalším vývojem mobilních zařízení nezlepšuje, ale naopak v mnoha ohledech slouží jako omezující faktor pro mobilní technologie. Mluvíme samozřejmě o výdrži baterie a v důsledku toho i o bateriích moderních mobilních telefonů. S rostoucími možnostmi mobilních zařízení a jejich technickými parametry se doba provozu telefonů vždy snižuje. Moderní technická řešení, jako například lithiové baterie všeho druhu, si nedokážou poradit se stále rostoucími nároky uživatelů, v důsledku čehož současná generace mobilních telefonů může fungovat pouze jeden nebo dva dny. Slibné vývoje, jako jsou palivové články nebo jiné stejně odporné alternativní zdroje energie, o kterých se před časem hojně psalo v tisku, se ukazují jako mnohem méně účinné, než se původně předpokládalo. Možná by však stálo za to přejít přímo k úvaze o napájecích prvcích moderních mobilních telefonů.
Olověné akumulátory
První baterie, tedy zařízení pro ukládání energie (v tomto případě elektrické energie) pro následné použití, se objevily v 1859. století. Zpočátku se jednalo o kyselinové baterie, které měly značné nevýhody, zejména nízkou kapacitu. V té době se však formovaly základní principy a konstrukční prvky moderních baterií. Jakákoli baterie se skládala ze tří hlavních prvků – anody a katody, mezi nimiž probíhala oxidačně-redukční reakce, a také z elektrolytu umístěného mezi nimi. Olověné baterie, které se objevily v roce XNUMX v důsledku práce francouzského vědce Gastona Planteho (Gaston Plant?) a začaly se hromadně vyrábět na konci XNUMX. století, se rozšířily v různých oblastech lidské činnosti. To se však zjevně netýká mobilního průmyslu a mobilních telefonů – nevýhody olověných baterií, jako jsou velké hmotnostní a rozměrové charakteristiky, stejně jako škodlivost složek v nich obsažených, neumožňovaly jejich použití v citlivých, vrtošivých a kompaktních mobilních zařízeních.
Nikl-kadmiové baterie
První nikl-kadmiovou (Ni-Cd) baterii vynalezl v roce 1899 švédský vědec Waldmar Jungner. V té době však tento typ baterie nebyl příliš rozšířený, a to především kvůli vysokým nákladům na výrobní proces. Následně se však objevily nové, progresivnější metody a techniky, v důsledku čehož se nikl-kadmiové zdroje energie staly populárnějšími (zejména v roce 1947 německý inženýr Georg Neumann vynalezl uzavřenou nikl-kadmiovou baterii). Tyto prvky se však postupně vytrácejí z používání, a to především kvůli škodlivosti použitých nikl-kadmiových baterií (kvůli toxicitě kadmia). V řadě zemí jsou proto nikl-kadmiové baterie, které nejsou zahrnuty do recyklačního programu, zcela zakázány. Zajímavé je, že tento typ baterie měl dobrou odolnost a spolehlivost (zejména při vysokých a nízkých teplotách) a nikl-kadmiové baterie byly známé svou schopností odolat velkému počtu cyklů nabíjení a vybíjení. Energetická kapacita těchto zdrojů energie se však ukázala být nižší než u jiných typů baterií. Kromě toho byly nikl-kadmiové baterie, stejně jako všechny zdroje energie obsahující nikl, „proslulé“ tzv. paměťovým efektem, kdy při neúplném vybití-nabití baterie její kapacita výrazně klesala (mohla klesnout až na hodnotu zbytkového náboje). Moderní nikl-kadmiové baterie se však této hlavní nevýhody prakticky zbavily.
Nikl-metal hydridové baterie
Dalším typem baterií využívajících nikl jsou nikl-metalhydridové baterie (Ni-MH). Před časem se ještě vyskytovaly v zastaralých modelech mobilních telefonů, později však byly tyto baterie nahrazeny pokročilejšími typy napájecích prvků (jak se stalo například u ikonického mobilního telefonu Nokia 3310). Stejně jako jiné niklové baterie podléhaly i Ni-MH zdroje energie „paměťovému efektu“ (i když byl projeven v menší míře než u nikl-kadmiových baterií), a proto se objevil tradiční rituál tzv. „houpání“ nově zakoupeného mobilního telefonu (několik po sobě jdoucích cyklů vybíjení a nabíjení baterie telefonu).
Lithium-iontové baterie
Nejběžnějšími moderními napájecími prvky pro mobilní telefony jsou lithiové. První lithiové baterie v domácích spotřebičích se objevily v 70. letech minulého století, ačkoli první experimenty s vytvořením tohoto typu zdroje energie pocházejí z roku 1912. Na rozdíl od niklových baterií zde katoda tvořil uhlík, anoda různé sloučeniny, obvykle oxid lithný a kobalt, a elektrolyt byl solný roztok s ionty lithia.
Li-Ion baterie se dnes široce používají nejen v mobilních telefonech, ale také v noteboocích, digitálních fotoaparátech (originální baterie, nikoli standardní AA), MP3 přehrávačích a dalších přenosných zařízeních. Vysoká energetická kapacita a stabilita umožňují výrobcům i nadále se zaměřovat na používání tohoto typu baterií ve svých zařízeních. Proces začal již v 1990. letech 1991. století zavedením lithiových baterií do mobilních telefonů prodávaných na japonském trhu – obecně první komerční výrobu lithiových baterií zahájila v roce 20 společnost Sony Energetic. Pověst tohoto typu baterií však byla dříve značně poškozena četnými stížnostmi, stahováním z trhu a dokonce i výbuchy lithium-iontových baterií. Mezi nevýhody lithiových baterií patří nejen nebezpečí výbuchu (kvůli velmi vysoké chemické aktivitě lithia), ale také zdaleka ne nejlepší chování v chladu (prostě se nedoporučuje používat je při teplotách pod XNUMX stupňů Celsia – jinak riskujete ztrátu nejen baterie, ale i telefonu v důsledku uvolnění elektrolytu), „prohýbání“ při delší nečinnosti (hluboké vybití má negativní vliv na životnost baterie), pokles kapacity baterie s věkem (bez ohledu na stupeň používání). Navzdory negativním aspektům však tento typ napájení zůstává pro mobilní telefony i dnes hlavním. Hlavní výhodou tohoto typu baterie je jeho velká kapacita a absence samotného „paměťového efektu“ (mnoho uživatelů nových, právě zakoupených telefonů s Li-Ion bateriemi však nadále „houpá“ baterie cykly vybíjení a nabíjení postaru). Ve srovnání s niklovými bateriemi umožňují lithium-iontové baterie nižší hodnoty samovybíjení (za stejnou dobu nečinnosti telefonu ztratí Li-Ion baterie mnohem méně energie než stejná Ni-MH).
Lithium-polymerové baterie
Pokročilejším typem lithium-iontových zdrojů energie jsou lithium-polymerové (Li-Pol) baterie. Spravedlivě bychom je měli nazývat „lithium-iontové polymerové“ zdroje energie. Na trhu se staly široce známými od roku 1999, počínaje prvními komerčními vzorky. Díky konstrukčním vlastnostem (použití speciálního polymerního elektrolytu – také lithiových solí – ve formě gelu) jsou vhodné pro výrobu baterií různých tvarů, včetně tenkých roztoků, které jsou dnes výrobci tak oblíbené. To je hlavní výhoda lithium-polymerových baterií oproti lithium-iontovým. Umožňuje zmenšit tloušťku baterie a s ní i samotného mobilního zařízení. Lithium-polymerové baterie v mobilních telefonech se dnes nejčastěji vyskytují u produktů Sony Ericsson. Vzhledem k tomu, že hluboké vybití může mít negativní vliv na baterii, používají moderní lithium-iontové a lithium-polymerové baterie také regulátor napětí, který zabraňuje hlubokému vybití nebo naopak „přebíjení“, které může vést k deformaci baterie.
Baterie jsou všude
Historie, jak víme, se vyvíjí ve spirále. Asi před deseti lety se v mobilních telefonech spolu s původními nikl-metalhydridovými a lithium-iontovými bateriemi úspěšně používaly standardní suché napájecí články – „prstové“ formáty AA a AAA, všudypřítomné alkalické (mangan-zinkové) baterie. Stačí si vzpomenout na produkty jako například Alcatel OT COM, Motorola V2288 atd.
Následně, s příchodem módy zmenšování mobilních telefonů, se taková řešení postupně vytratila. Vývoj mobilních technologií však, jak víme, nestojí na místě – dnešní multimediální monstra někdy jednoduše potřebují dobíjet z dalších zdrojů energie, což umožňuje nějakým způsobem prodloužit výdrž baterie. Navíc, pokud se dříve jednalo pouze o nabíječky mobilních telefonů, připojené k rozhraní telefonů a schopné dobíjet zařízení z jedné nebo dvou standardních AA baterií (externí zásuvné moduly pro různé telefony, zejména Sony Ericsson nebo Nokia) a konceptů (například Motorola PVOT), dnes můžeme hovořit o plnohodnotných sériových mobilních řešeních s odpovídajícím slotem pro takové baterie, který je zajištěn konstrukcí. Příkladem je mobilní telefon z dlouhotrvající řady Xenium od společnosti Philips – model Philips 9@9j, který spolu s původní baterií poskytuje možnost použití běžné AAA baterie (podle výrobce jedna taková „malíčková“ baterie umožňuje další tři hodiny hovoru).
Alternativní zdroje energie
Výrobci mobilních telefonů se samozřejmě nemohou spokojit s nízkou výdrží baterií moderních zařízení. V tomto ohledu se neustále pracuje na nových, perspektivních zdrojích energie pro mobilní telefony, ale návratnost tohoto procesu je stále příliš malá. Různé projekty související s využitím solární energie, mechanické energie (včetně „natahování“ mobilního telefonu jako hodinek) atd. zatím u uživatelů nevzbuzují velké nadšení.
Palivové články, o kterých před pár lety nemluvil jen líný člověk, se staly jedním z hlavních zklamání mobilního průmyslu. V případě mobilních telefonů se věci neobešly jen experimenty, zejména ty, které provedl japonský operátor NTT DoCoMo. Pokrok, kterého se dočkaly zdroje energie z metanolu (a dalších), se ukázal být příliš štědrý a očekávání se plně neospravedlnila. Technologie výroby energie reakcí mezi vodíkem a atmosférickým kyslíkem stále vyžaduje zlepšení.
Samotný princip přeměny energie v důsledku oxidační reakce paliva je samozřejmě velmi lákavý. To však vytváří řadu přísných omezení souvisejících se zajištěním řádné úrovně bezpečnosti – jak je známo, methylalkohol – a ten byl považován za hlavní palivový prvek – je velmi toxická látka, v souvislosti s čímž byly kladeny zvláštní požadavky na těsnost palivových patron. Vývoj technologií se však nezastavuje a v blízké budoucnosti budeme jistě moci sledovat další kolo vývoje palivových článků.
Výkon
V současné fázi technologického vývoje tedy výdrž baterie mobilních zařízení stále zůstává jedním z největších úzkých hrdel. Stávající řešení, zejména nejběžnější lithium-iontové baterie, vzhledem k tomu, že moderní mobilní telefony jsou „nacpané“ různými funkcemi, jednoduše nejsou schopny zajistit výdrž baterie delší než několik dní, a to ani při minimálním zatížení. Navrhované alternativní zdroje energie, navzdory veškerému humbuku kolem nich, stále nedokážou dosáhnout ani úrovně srovnatelné s tradičními bateriemi – a to jak z hlediska technických vlastností, tak i pohodlí. To je obzvláště patrné na příkladu palivových článků, kolem kterých hysterie před pár lety skončila vyprcháním. Technologie je samozřejmě mimořádně slibná, ale vyžaduje dlouhodobý vývoj, stejně jako mnoho dalších nápadů, zejména použití nových typů baterií. Jiné vývoje, jako je využití solární energie nebo síly lidských svalů, se v blízké budoucnosti pravděpodobně nerozšíří – koneckonců většina uživatelů vnímá mobilní telefon především jako pohodlný komunikační prostředek, nikoli však jako expandér. V souvislosti se vším výše uvedeným není v dnešní době nejúčinnějším způsobem, jak prodloužit výdrž baterie mobilních zařízení, vynález nových zdrojů energie, ale vylepšení starých a zejména optimalizace provozu moderních mobilních telefonů. Úspora energie mobilních zařízení je dnes zdrojem, který zdaleka není vyčerpaný. Metody, které dnes nabízejí výrobní firmy, jsou sice poměrně primitivní a nepříliš účinné, ale jejich vývoj může skutečně vést k významnému pokroku v oblasti úspory energie u mobilních telefonů. Mezi příklady patří použití světelných senzorů, dynamické změny taktovací frekvence procesoru mobilního telefonu a použití unikátní „dvoujádrové“ struktury (ve skutečnosti duálního procesoru, kde jeden procesor v telefonu je zodpovědný výhradně za hlasové funkce, rádiový modul a druhý za vše ostatní). Zavedení nových konstrukčních řešení, jako jsou úspornější plazmové panely místo moderních obrazovek z tekutých krystalů, a také vývoj, jako je funkce přerušování signálu během pauz v konverzaci (DTX), také pomůže snížit spotřebu energie. Zajímavé je, že existuje analogie s automobilovým průmyslem, který také vytrvale bojuje za úspornost moderních automobilů (zejména funkce DTX je docela v souladu s možností vypnout motor během volnoběhu). Právě vytváření energeticky úsporných zařízení a úspora energie baterií prostřednictvím energeticky úsporných technologií se však může do jisté míry stát alternativou k hledání nových řešení v oblasti výkonových prvků. Nebo je doplnit – na slibných sodíkovo-sírových a lithium-sírových bateriích se již pracuje, na vylepšení stávajících řešení (včetně lithium-iontových baterií, díky aktuálně módní nanotechnologii, například křemíkové nanodrátky). Snižování spotřeby energie je v současné době prioritou nejen pro mobilní průmysl, ale i pro počítačový trh jako celek, a zde se zájmy výrobních společností zdají shodovat se zájmy „zelených“ organizací.