Тоже любите ставить телефон на зарядку ночью? А как часто вы заряжаете телефон днём? Вроде бы новый смартфон, а спустя год (а то и несколько месяцев) замечаете, что как будто заряда не хватает. Батарея — это буквально самая часто заменяемая деталь телефона. 

В статье разберём, почему заряда не хватает на весь день, как Li-ion-аккумулятор стал лидером, почему батарея умирает, что именно её разрушает и какая у этого природа. Детали под катом.

Почему именно Li-ion победил

Когда-то беспроводной телефон совершил революцию. Хотя его корпус по современным меркам больше был похож на рацию, чем на телефон. Тогда было где разгуляться —большой корпус, но и технологии были слабыми. Аккумулятор позволял общаться по DynaTac 35 минут, но вот заряжать его приходилось чуть более 10 часов. 

История развития аккумуляторов для мобильных устройств — это история поиска компромисса между энергоплотностью, весом, безопасностью и долговечностью. Поначалу в электронные устройства вставляли свинцово-кислотные и никель-кадмиевые (NiCd) батареи, которые были тяжёлыми, большими по габаритам и были, мягко говоря, не очень. Например, NiCd-аккумуляторы страдали от «эффекта памяти». Если батарея не разряжалась полностью перед зарядкой, ёмкость падала. Кроме того, свинцово-кислотные батареи имели низкую удельную энергию и существенно ограничивали возможности мобильных устройств в плане времени работы и компактности.

В 1990-х всё изменилось благодаря появлению литий-ионных аккумуляторов, над которыми активно работали учёные, включая Джона Гуденауфа и инженеров Sony. Их главное достижение — увеличение плотности энергии. В одном килограмме батареи можно было уместить в разы больше запаса, чем у привычных никель-кадмиевых или свинцово-кислотных аналогов. Вместо металлического лития использовались ионы лития, которые свободно перемещаются внутри батареи, что существенно снизило риск взрывов. К тому же литий-ионные батареи отличаются очень низким саморазрядом. Они не теряют заряд, если смартфон какое-то время не используется, что очень ценно для повседневного комфорта.

Современный смартфон — это инженерная задачка. Что-то типа тетриса по-взрослому с кучей правил и согласований. Необходимо уместить максимально ёмкую батарею в очень тонкий и лёгкий корпус. В современных батареях плотность энергии достигает 250–300 Вт∙ч на килограмм, а в новейших разработках — уже около 400 Вт∙ч/кг. При этом помещать в корпус больше элементов не позволяют ограничения по теплоотводу и риску механических повреждений. Высокая плотность энергии несёт больше пространства, но и больше нагрева.

Какие бывают батареи в смартфонах

Батареи в смартфонах — это не просто источник энергии. От их формы и химии зависят толщина корпуса, вес, тепловой режим и в целом пользовательский опыт. Чтобы не терять смысл при рассказе, разделю тему на два простых слоя: форм-факторы и химия.

Форм-факторы

Сегодня в смартфонах доминируют два типа аккумуляторов — литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Po), которые во многом похожи по химии, но различаются конструктивно и имеют разные плюсы и минусы.

В литий-ионных батареях используют пористый сепаратор и жидкостный электролит, из-за чего сам аккумулятор должен иметь жёсткий корпус. В результате ёмкость батареи сильнее ограничена габаритами мобильного устройства и его толщиной.

Их плотность энергии обычно ниже — от 150 до 250 Вт⋅ч на килограмм — но они обеспечивают хорошую рабочую ёмкость и ~500-1000 циклов зарядки без сильной деградации. Корпус металлический, это значит дополнительная устойчивость ко всяким повреждениям и ударам. Недостаток — чуть больший вес и толщина, а жидкий электролит более подвержен деградации с течением времени из-за испарения и образования дендритов.

Литий-полимерные аккумуляторы используют вместо жидкого гелеобразный или твёрдый электролит, заключённый в гибкую полимерно-ламинатную оболочку. Это даёт возможность производить батареи минимальной толщины и необычной формы, что особенно важно при создании сверхтонких смартфонов с плотной компоновкой. Li-Po-батареи обладают более высокой плотностью энергии — 300-400 Вт⋅ч/кг — и способны выдерживать ~1500-2000 циклов зарядки без сильной деградации, что заметно увеличивает их срок службы. Эти батареи легче и безопаснее, так как гелеобразный электролит не протекает, а корпус может быть гибким. Вместе с тем они более уязвимы к механическим повреждениям и требуют продвинутых систем защиты — рамок, фиксаторов и систем мониторинга температуры.

С точки зрения пользователей, Li-Po-аккумуляторы обеспечивают более быструю зарядку, меньший саморазряд и лучшие показатели при высоких нагрузках. Но больше производят и используют всё равно Li-ion. Они остаются экономичным выбором при массовом производстве.

Чем отличаются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы? 

Преимущества Li-ion-аккумуляторов будут исходить от их массовости. Не зря это самый распространённый вид батарей:

• У батареи нет особых правил во время зарядки и нет калибровки.

• Аккумуляторы заряжаются полностью — подключить и отключить их от сети можно на любом уровне заряда.

• Крайне медленно разряжаются, если смартфон не используется.

• Дешевле производить, поэтому они незначительно повышают общую стоимость мобильных устройств.

Ёмкости 4000 мА·ч хватает в среднем на 1 день активного использования смартфона, что подразумевают зарядку 1 раз в сутки. Решить эту проблему призван другой тип батареи — литий-полимерный, имеющую отличную от Li-ion конструкцию.

Мягкий корпус из ламинированных листов даёт литий-полимерной батарее ряд преимуществ:

• Li-Pol может производиться в различных форм-факторах, чтобы максимально эффективно использовать пространство в корпусе устройства, в котором он находится.

• Аккумуляторы этого типа тоньше, что позволяет вместить повышенную ёмкость в ограниченное пространство корпуса телефона.

• При разгерметизации батареи не взрываются.

В остальном химический состав и материалы Li-ion и Li-Pol-аккумуляторов одинаковые — в работе используется одно и то же количество электролита, а алгоритмы зарядки не отличаются.

Из минусов литий-полимерных батарей стоит выделить их повышенную стоимость. Однако где минус, там и плюс: такие аккумуляторы крайне редко подделывают, поэтому нарваться на смартфон с некачественной Li-Pol-батареей маловероятно.

При этом важно понимать, что оба типа батарей не лишены главного недостатка АКБ: со временем и литий-ионные, и литий-полимерные аккумуляторы теряют ёмкость и в конечном итоге требуют замены. Срок их службы примерно одинаковый и в основном зависит от того, как используют батарею.

Химия

Небольшое отступление, как работает аккумулятор. В основе — движение ионов лития между анодом и катодом. Движутся они через специальный электролит и сепаратор. При зарядке ионы лития покидают катод (обычно это оксиды металлов) и мигрируют через жидкий или полимерный электролит к аноду — чаще всего графитовому. 

Во время разрядки эти ионы возвращаются обратно. То есть энергия, которая питает устройство, высвобождается. А сам электролит даёт ионам свободно перемещаться. Но электроды и сепаратор не допускают контакта, иначе произошло бы короткое замыкание.

Также стоит подчеркнуть роль электрохимических реакций. Структура у анода пористая, и ионы лития встраиваются в неё (интеркаляция), а при разряде высвобождаются, возвращаясь к катоду, где происходит обратная реакция. Электроны, двигаясь по внешней цепи, создают электрический ток, он и питает устройство.

Чтобы комплексно управлять батареей, даже разработали систему Battery Management System (BMS), которая защищает аккумулятор от перезаряда, глубокого разряда и коротких замыканий, а также следит за температурой и балансировкой заряда в ячейках.

Механизм обеспечивает высокую энергоёмкость, небольшой вес и компактность литий-ионных аккумуляторов, что и сделало их стандартом для портативных устройств.

Почему сложно заменить Li-Ion

Например, есть литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4). Они намного безопаснее и служат на 5-10 лет дольше. На первый взгляд кажется, что технология отлично подходит в качестве альтернативы, чем заменить аккумуляторы в телефонах. Ведь такие батареи безопаснее чем литий-кобальтовые (используются в смартфонах, телефонах, разных гаджетах).

Но LiFePO4 уступает в плотности энергии LiCo-аккумуляторам. Она не подходит на роль того, чем можно было бы заменить аккумулятор телефона.

Если у вас вопрос: «Что значит литий-кобальтовый аккумулятор?»

Это значит, что в качестве активного компонента катода аккумулятора (+ положительного электрода) используется кобальт. И кстати, LiCoO2-аккумуляторы обладают высочайшей плотностью энергии (до 190 Вт·ч/кг, когда как у других 95-120 Вт·ч/кг).

Вообще бывают и другие материалы для катодов в технологии Li-ion.

Промышленность предлагает для литий-ионной технологии готовые катодные материалы. Они задействованы в массовых поставках. И их даже внедряют в производство.

Массовые катодные материалы для Li-ion:

• LCO — литий-кобальтовые (LiCoO2);

• NCA — литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2);

• NMC — литий-никель-марганец-кобальт-оксидный (LiNiMnCoO2);

• LMO — литий-марганцево-оксидные (LiMn2O4 и Li2MnO3);

• LFP — литий-железо-фосфатные (LiFePo4).

Не любые технологии аккумуляторов подходят для смартфонов.

По последним данным, рынок Li-ion аккумуляторов оценивается более чем в 134,9 миллиарда долларов и ожидает рост со скоростью свыше 15% в период с 2026 по 2035 год. Основным драйвером этого роста выступает масштабная цифровизация, особенно в Азиатско-Тихоокеанском регионе, где спрос на портативную электронику продолжает активно увеличиваться.

Прогнозируется, что к 2035 году сегмент литий-кобальт-оксидных аккумуляторов (LCO) сохранит значительную долю рынка — около 34,4% — благодаря их высокой плотности энергии и надёжной работе в компактной потребительской электронике, в том числе в смартфонах, ноутбуках и других мобильных гаджетах.

Кремний-углеродные аккумуляторы

Говорят, в новеньком IPhone 17 Air завезли технологию, которой раньше не было в яблокофонах. 

Идея технологии в том, чтобы использовать на аноде не графитовые, а кремниевые структуры.

Хотя в меня сейчас кинут тапком и скажут, что у Android давно уже это было, но для Apple это шаг вперёд. А ещё компания обычно задаёт вектор развития других смартфонов, так что можно понять, к чему всё идёт. По данным инсайдеров и аналитиков, поставщиком таких АКБ для iPhone 17 Air выступает компания TDK, которая планирует массовые поставки с середины 2025 года.

Преимущества Si-C:

• Увеличенная ёмкость. В теории предел гравиметрической ёмкости в 10 раз больше по сравнению с классическим графитом. Однако на практике в аноде используется лишь небольшая доля кремния, так что пока можно говорить о числах в 420–550 mA*h/g.

• Уменьшение размеров и веса. Применение кремния также позволяет уменьшить габариты аккумулятора. Например,  IPhone 17 Air с толщиной 5,6 мм или серия HONOR Magic V. 

• Большая мощность быстрой зарядки. За счёт использования кремния анодное покрытие теперь способно за тот же промежуток времени «захватывать» больше ионов лития. Это позволило добиться повышенных мощностей для зарядки. Если для Li-Ion/Pol это значения в 35-60 Вт, то с приходом Si-C аккумуляторов типичными становятся мощности в 80-100 Вт.

• Работа при минусовых температурах. Батареи Si-C проявляют лучшую стабильность работы при минусовых температурах. 

Минусом стала дороговизна производства. Производство Si-C аккумуляторов сейчас обходится дороже, так что это удел в премиум-гаджетов. И из-за особенностей кремния пострадала долговечность. Материал при зарядке с поглощением ионов лития увеличивается в объёме, а затем сжимается во время разрядки. 

Почему батареи деградируют 

Батареи теряют ёмкость и автономность из-за деградации. Она включает два основных механизма: циклическое и календарное старение. Циклическое старение связано с постепенным износом аккумулятора при повторных циклах зарядки и разрядки. Календарное старение (естественное) — это то снижение, на которое мы не влияем, например, при хранении или без активного использовани.

Особое значение имеет рост слоя твёрдой электролитной интерфейсной плёнки SEI на поверхности анода, который формируется как защитный, но с течением времени утолщается, потребляя активные ионы лития и повышая внутреннее сопротивление. Эта плёнка препятствует свободному прохождению ионов, вызывая уменьшение отдачи тока и снижение времени работы. Кроме того, возникают микротрещины в электродах. Важную роль играет коррозия коллекторов тока, особенно алюминиевого на катоде, из-за химического взаимодействия с электролитом, что ухудшает проводимость и долговечность батареи.

Как вы пользуетесь телефоном, столько он и прослужит. Нельзя ничего с приставкой ПЕРЕ-. Например, при перегреве выше 50 °C скорость химических реакций возрастает, утолщается SEI, электролит начинает разложение и банальные механические повреждения. При переохлаждении происходят также необратимые процессы.

Кто бы что ни говорил, но высокая скорость зарядки (C-rate), по типу быстрой зарядки, создаёт дополнительный стресс на материалы, провоцируя литиевое осаждение (lithium plating). Это когда металлический литий накапливается на аноде. А потом снижает ёмкость батареи и может привести к короткому замыканию.

Если вы будете агрессивно пользоваться устройством, это ускорит износ батареи. Частые быстрые зарядки, когда зарядили на пару процентов, и так много раз. Например, при высоких температурах и одновременной запущенной игре или какому-то стриму в 4К. Всё это приводит к потере около 20% ёмкости уже после 300–500 циклов. Это примерно как два-три года интенсивного использования, после чего заметно ухудшается автономность и удобство. BMS хоть и продлевает срок службы, но он не защитит полностью.

Но не все так печалньно. Исследователи из Фуданьского университета в Китае придумали как восстанавливать литиевые батареи. В журнале Nature вышла статья, где описан инновационный метод, который «реанимирует» аккумуляторы. Суть в том, что с помощью специального соединения, ученые могут «добавлять» ионы лития обратно в разрядившуюся батарею. От этого жизнь батарей увеличивается до 12 000 циклов зарядки. Этот раствор вводится внутрь аккумулятора, восстанавливая ионы, которые с возрастом и использованием теряются, и тем самым возвращая батарее прежнюю ёмкость.

Куда движется индустрия

Toyota и QuantumScape развивают Solid-state-батареи. Твёрдый электролит вместо жидкого обещает повысить безопасность и ёмкость, но массовое производство всё ещё затруднено. 

Может тогда натрий-ионные аккумуляторы (Na-ion) — новая альтернатива литий-ионным технологиям? Тут всё не так просто — рост стоимости и экологические проблемы добычи лития могут дать о себе знать. Крупнейший производитель CATL уже анонсировал масштабное производство натрий-ионных батарей Naxtra для электромобилей, заявляя о плотности энергии около 175 Вт·ч/кг и выдающейся морозостойкости до -40 °C. Возможно, подобные решения перекочуют и в смартфоны.

Есть эксперименты и с гибридными системами: Li-Ion + суперконденсатор. Это делают, чтобы повысить мощность отдачи при пиковых нагрузках и уменьшить деградацию.

Исследователи ищут новые химические пары, такие как Li–Fe–P (литий-железо-фосфат) и Na–Fe–Mn (натрий-железо-марганец). Эти материалы есть как в бюджетных, так и специализированных решениях.

Серьёзных изменений в массовом смартфоновом сегменте стоит ожидать не ранее второй половины десятилетия. А пока индустрия движется к более устойчивым, долговечным и экологичным решениям. Пока же улучшения достигаются через комплексное сочетание и какие-то пробы. А что вы думаете — когда уже зарядки будет хватать на все задачи? Или, может, мы когда-то перейдём на ядерные аккумуляторы? Делитесь мнением в комментариях.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»