Исследовательский проект «Насколько безопасно оставлять смартфон заряжаться ночью?»

Тема: «Насколько безопасно оставлять смартфон заряжаться ночью?»

Выполнил Удилов Андрей Дмитриевич

ученик 9 класса «Д» МОУ СОШ № 34

Руководитель: Левша Юлия Сергеевна

учитель физики МОУ СОШ № 34

г.Комсомольск-на-Амуре, 2019

Содержание:

Введение………………………………………………………3

Исследовательская часть:

2.1.Виды и параметры телефонных аккумуляторов ………….4

2.2. Результаты опроса…………………………………………..12

3. Заключение……………………………………………………13

4. Список использованных источников……………………… .14

Введение

С тех пор как телефоны научились делать кучу разных вещей помимо звонков, даже самые емкие аккумуляторы уже не выдерживают сценарий использования современного пользователя гаджетов. В лучше случае заряда хватает на день. Очевидно, что единственным временем, когда возможно поставить смартфон на зарядку, становится ночь. Конечно, во время сна процесс не проконтролируешь, в связи с чем у многих возникает вопрос: «Насколько безопасно оставлять смартфон заряжаться ночью?».

Этот вопрос и стал темой моей исследовательской работы.

Гипотеза: Я считаю, что ночная зарядка смартфона ни как отрицательно не влияет на срок службы аккумулятора.

Цель: Обоснование необязательности отключать смартфон от зарядного устройства ночью.

Задачи:

Ознакомиться с принципом работы аккумуляторов и изучить виды аккумуляторов используемых в смартфонах.

Изучить влияние долгой подзарядки на аккумулятор.

Провести опрос по данному вопросу.

Выявить основные правила зарядки смартфонов.

Исследовательская часть

Виды и параметры телефонных аккумуляторов

На сегодняшний день для питания мобильных устройств наиболее широко применяются аккумуляторы следующих электрохимических систем:

никель-кадмиевые (NiCd),

никель-металлгидридные (NiMH),

литий-ионные (Li-ion).

Постепенно начинают завоевывать позиции в сфере сотовых телефонов и портативных компьютеров литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы.

Ведутся разработки в области топливных элементов и некоторых других перспективных технологий изготовления аккумуляторов [4].

1.Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) — вторичный химический источник тока, в котором катодом является гидрат закиси никеля Ni(OH)₂ с графитовымпорошком (около 5–8%), электролитом — гидроксид калия KOH плотностью 1,19–1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21–25%), анодом — гидрат закиси кадмия Cd(OH)₂ или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора — около 1,37 В, удельная энергия — порядка 45–65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 900 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20–25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd) наряду с Никель-Солевыми аккумуляторами могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных (NiMH) и литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые нужно хранить заряженными.

Принцип действия никель-кадмиевых аккумуляторов основан на обратимом процессе:

2NiOOH + Cd + 2H₂O ↔ 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ E⁰ = 1,30 В.

Никелевый электрод представляет собой пасту гидроксида никеля, смешанную с проводящим материалом и нанесенную на стальную сетку, а кадмиевый электрод — стальную сетку с впрессованным в неё губчатым кадмием. Пространство между электродами заполнено желеобразным составом на основе влажной щелочи, который замерзает при -27°С^[1]. Индивидуальные ячейки собирают в батареи, обладающие удельной энергией 20–35 Вт*ч/кг и имеющие большой ресурс — несколько тысяч зарядно-разрядных циклов.

Параметры:

Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг

Удельная энергоёмкость: 45–65 Вт·ч/кг

Удельная энергоплотность: 50–150 Вт·ч/дм³

Удельная мощность: 150…500 Вт/кг

ЭДС = 1,37 В

Рабочее напряжение = 1,35…1,0 В

Нормальный ток зарядки = 0,1…1 C, где С — ёмкость

Срок службы: около 100—900 циклов заряда/разряда.

Саморазряд: 10% в месяц

Рабочая температура: −50…+40 °C[1]

В настоящее время использование никель-кадмиевых аккумуляторов сильно ограничено по экологическим соображениям, поэтому они применяются только там, где использование других систем невозможно, а именно — в устройствах, характеризующихся большими разрядными и зарядными токами. Типичный аккумулятор для летающей модели можно зарядить за полчаса, а разрядить за пять минут. Благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению аккумулятор не нагревается даже при зарядке большим током. Только когда аккумулятор полностью зарядится, начинается заметный разогрев, что и используется большинством зарядных устройств как сигнал окончания зарядки. Конструктивно все никель-кадмиевые аккумуляторы оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает внутреннее давление газов в тяжёлых условиях эксплуатации.

Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды более технологичны, дешевле в производстве и обладают более высокими показателями рабочей ёмкости, в связи с чем все аккумуляторы бытового назначения имеют прессованные электроды. Однако прессованные системы подвержены так называемому «эффекту памяти». Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электрохимической системе аккумулятора появляется «лишний» двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0,1 В. Типичный контроллер устройства, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как полный разряд батареи и сообщает, что батарея «плохая». Реального снижения энергоёмкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование ёмкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае контроллер побуждает пользователя выполнять всё новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, «убивает» батарею. То есть можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от «эффекта памяти» прессованных электродов, сколько от «эффекта беспамятства» недорогих контроллеров.

Бытовой никель-кадмиевый аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизора), быстро теряет ёмкость, и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет ёмкость, хотя его напряжение будет правильным. То есть использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.

При хранении NiCd-аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки при снятии аккумуляторов с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном виде — тогда после первой же зарядки аккумуляторы будут полностью готовы к использованию. Для полной разрядки батареи и выравнивания напряжений на каждом разряжаемом элементе можно подключить цепочку из двух кремниевых диодов и резистора на каждый элемент, тем самым ограничив напряжение на уровне 1-1.1 В на элемент. При этом падение напряжения на каждом кремниевом диоде составляет 0,5–0,7 В, поэтому выбирать диоды для цепочки необходимо вручную, используя, например, мультиметр. После длительного хранения батареи необходимо провести два-три цикла заряд/разряд током, численно равным номинальной ёмкости (1C), чтобы она вошла в рабочий режим и работала с полной отдачей [2].

Достоинства:Низкая стоимость, высокая вероятность восстановления, работа в широком диапазоне температур, быстрая зарядка.

Недостатки: Высокая степень саморазряда, эффект "памяти", большие размеры, токсичность при неправильной утилизации. [1]

2.Никель-металлогидридный аккумулятор (Ni-MH) — вторичный химический источник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролит — гидроксид калия, катод — оксидникеля. [3]

Параметры:

Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч/кг): 300 Вт·ч/кг.

Удельная энергоёмкость: около — 60-72 Вт·ч/кг.

Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³): около — 150 Вт·ч/дм³.

ЭДС: 1,25 В.

Рабочая температура: −60…+55 °C.(-40… +55)

Срок службы: около 300—500 циклов заряда/разряда.(Большинство производителей указывают 1000 циклов,)

саморазряд: до 100 % в год (у старых типов аккумуляторов). [1]

У никель-металл-гидридных аккумуляторов типа «Крона», как правило — начальным напряжением 8,4 В, напряжение постепенно снижается до 7,2 В, а затем, когда энергия аккумулятора исчерпывается, напряжение снижается быстро. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую ёмкость при тех же габаритах, но меньший срок службы — от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

NiMH-аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.

Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда — 15-16 часов (типичная рекомендация производителя),(максимальный допустимый 0,3С - заявляется производителями) [3]

Достоинства: Низкая стоимость, незначительный эффект памяти, высокая ёмкость, низкая токсичность. Экологически безопасны.

Недостатки: Высокая степень саморазряда, малое количество циклов заряда/разряда, более сложное (и дорогое) устройство зарядки (в сравнении с NiCd). [1]

3.Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) 

Л итий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пористым сепаратором, пропитанным электролитом. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус иногда оснащают предохранительным клапаном, сбрасывающим внутреннее давление при аварийных ситуациях или нарушениях условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC₆, окислы (LiMnO₂) и соли (LiMn_RO_N) металлов.

Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать при значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-железо-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литийионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system), — и специальным устройством заряда/разряда.[4]

Параметры:

Достоинства: Высокая ёмкость, отсутствие эффекта "памяти", малые габариты, большое количество циклов заряда/разряда.

Недостатки: Высокая стоимость, быстрое старение (через 1,5 - 2 года аккумулятор может стать непригоден к использованию) в не зависимости от интенсивности использования, потенциальная опасность при использовании (первые модели этих батарей часто взрывались при зарядке). Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Этот недостаток удалось окончательно устранить заменой материала анода на графит.[1]

4 .Литий-полимерныйаккумулятор (литий-ионныйполимерныйаккумулятор (lithium-ion polymer battery);аббревиатуры: Li-pol, Li-polymer LiPo, LIP, Li-poly и т. д.) —этоусовершенствованнаяконструкция литий-ионного аккумулятора.В качестве электролитаиспользуется полимерный материал. [6] 

Особенностью конструкции литий-полимерных аккумуляторов является применение солей лития с специальным полимерным электролитом, что позволяет изготавливать различные по форме аккумуляторы. Данная особенность является основным преимуществом литий-полимерных источников питания, позволяет создавать тонкие, пластичные аккумуляторы разнообразных геометрических форм.

Параметры:

Литий-полимерные аккумуляторы обладают примерно такой же энергоемкостью, немного дешевле литий-ионных, и способны прослужить относительно большое число циклов перезарядки. Недостатки у литий-полимерных элементов питания практически такие же, что и у литий-ионных: плохо работают при низких температурах, опасность глубокого разряда или перезарядки, поэтому и в литий-ионных и в литий-полимерных аккумуляторах используется контроллер напряжения, который не допускает глубокого разряда или перезарядки аккумулятора. [5]

Результаты Опроса

К акой аккумулятор используется в вашем телефоне?

никель-кадмиевые (NiCd) - 0

никель-металлгидридные (NiMH) - 20%

литий-ионные (Li-ion) – 74%

литий-полимерные (Li-Pol) – 6%

О ставляете ли вы заряжать свой телефон на ночь?

Да-62%

Нет-38%

Заключение

Основная опасность того, что смартфон будет всю ночь находиться на зарядке, кроется в нагреве аккумулятора. Однако в настоящее время смартфоны достаточно умны. Они могут прекратить зарядку, когда аккумулятор зарядится до 100%. После чего смартфон будет получать энергию напрямую через подключенное зарядное устройство — смартфон при этом будет оставаться холодным.Главное, не кладите смартфон под подушку. Пока батарея заряжается, она греется, а значит, ей надо остывать.

Однако это не значит, что проблем нет совсем. Ведь постепенно емкость аккумулятора по мере роста количества циклов падает. Для того чтобы попытаться улучшить показатели жизни аккумулятора, старайтесь не выходить за рамки 40% и 80% — полная разрядка и зарядка приведет к более быстрому выходу аккумулятора из строя.

Кроме того, старайтесь не заряжать смартфон быстрой зарядкой, так как это приводит к сильному нагреву, что негативно сказывается на сроке её службы.

Если же вам кажется, что объем батареи падает – вероятно, у вашего смартфона сбился внутренний датчик электроэнергии. Чтобы его откалибровать, нужно полностью разрядить смартфон – до выключения – а затем зарядить его до 100% в выключенном состоянии. [7]

Список использованных источников

3Dnews. Сотовая связь. https://3dnews.ru/100043

https://ru.wikipedia.org/wiki/Никель-кадмиевый_аккумулятор

https://ru.wikipedia.org/wiki/Никель-металл-гидридный_аккумулятор

https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий-ионный_аккумулятор

http://www.mobi-city.ru/articlereview/tipy-akkumulyatorov

https://ru.wikipedia.org/wiki/Литий-полимерный_аккумулятор

http://igate.com.ua/news/18260-mozhno-li-ostavlyat-telefon-na-zaryadke-na-noch

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/379774-issledovatelskij-proekt-naskolko-bezopasno-os