W dzisiejszym, mobilnym świecie wydajność akumulatora staje się powoli jednym z istotniejszych parametrów. Na cóż nam bowiem nawet najlepszy i najwydajniejszy smartfon, jeżeli zamiast komfortowo z niego korzystać, wciąż będziemy zerkali w kierunku gniazdka sieciowego lub chodzili stałe podpięci przewodem do power banku. Zobaczmy, skąd biorą się i czy można jakoś zaradzić takim energetycznym problemom?

Przyczyny problemów z wydajnością akumulatorów w smartfonach

Pierwszym oraz podstawowym jest oczywiście fakt, iż idea najpopularniejszych dziś w telefonach ogniw litowo-jonowych (oznaczanych też skrótem Li-ion) pamięta jeszcze lata siedemdziesiąte XX wieku, czyli ma już blisko 50 lat. Co prawda, do szerokiego użycia trafiły one nieco później, bo w latach 90. ubiegłego stulecia, ale i tak stanowią jeden z bardziej "archaicznych" komponentów obecnych smartfonów. Tymczasem, stały wzrost wydajności urządzeń mobilnych, rosnące przekątne stosowanych w telefonach ekranów oraz ograniczająca ilość miejsca na baterię smukłość smartfonowej obudowy dodatkowo nie ułatwiają akumulatorom życia. Do rzadkości nie należy więc sytuacja, w której podczas intensywnego korzystania ze smartfonu jesteśmy zmuszeni do uzupełnienia energii w jego akumulatorze w ciągu dnia - nie starcza jej nawet od rana do wieczora.

Opisując obecne, smartfonowe akumulatory należy obowiązkowo wspomnieć o ogniwach litowo-polimerowych (LiPo), które również często spotkamy w telefonach. Zasadniczo, wywodzą się one bezpośrednio z techniki ogniw litowo-jonowych, jednak elektrolitem jest tym razem nie ciecz, a substancja w formie żelu (lub nawet ciała stałego). Zaletą akumulatorów litowo-polimerowych jest ich niewielka masa, większą odporność na mechaniczne uszkodzenia oraz możliwość dość swobodnego formowania kształtu samej baterii. Nie przynoszą one natomiast istotnych korzyści w zakresie ilości gromadzonej energii.

Plusy i minusy ogniw litowo-jonowych

Zastosowanie w telefonach komórkowych akumulatorów litowo-jonowych (wcześniej popularne były ogniwa niklowo-wodorkowe (NiMH) miało wiele zalet. Pierwszą z nich, ważną użytkowo, był brak efektu pamięciowego. Oznaczało to, że telefon można było teraz doładowywać w dowolnym momencie bez ryzyka utraty sprawności ogniwa – dawniej, w celu uniknięcia efektu pamięciowego, zalecało się ładowanie dopiero mocno rozładowanego telefonu. Akumulatory litowo-jonowe mają też mniej więcej dwukrotnie większą gęstość energii niż starsze akumulatory NiMH, co w skrócie oznacza tyle, że przy tych samych wymiarach są w stanie zgromadzić znacznie więcej energii, czyli istotnie przedłużyć pracę urządzenia. Kolejnym plusem techniki litowo-jonowej jest niewielkie samoistne rozładowanie (do 2 procent na miesiąc, podczas gdy dla standardowych ogniw NiMH sięgało ono nawet 30 procent na miesiąc).

Oczywiście, nic za darmo. Akumulatory litowo-jonowe są droższe w produkcji i wymagają znacznie bardziej złożonych systemów ładowania, gdyż okazują się wrażliwe na zbytnie rozładowanie, zbyt duże prądy ładowania i rozładowania oraz na wysoką temperaturę (szczególnie powyżej 50 stopni Celsjusza). Parametry te są więc stale kontrolowane, a elektronika smartfonu dba o to, aby wyłączyć nasze urządzenie, zanim dojdzie do zbyt głębokiego rozładowania akumulatora (zapewne wielu osobom zdarzyło się pozostawić rozładowany stary smartfon na kilka miesięcy i stwierdzić później, że bateria nie chce się normalnie ładować). Kwestie prądowo-temperaturowe stają się jeszcze bardziej istotne w wypadku telefonów mających funkcje bardzo szybkiego ładowania. Akumulatory litowo-jonowe są też bardziej wrażliwe na ewentualne mechaniczne uszkodzenie, które w ekstremalnym wypadku może doprowadzić do samozapłonu ogniwa. Każdy zapewne widział też choć raz uszkodzony, “spuchnięty” akumulator litowo-jonowy i słyszał w programach survivalowych, że przebita nożem bateria może skutecznie posłużyć jako źródło ognia do rozpalenia ogniska.

Pojemność baterii to nie wszystko, ale zdecydowanie warto zwracać na nią uwagę

Wybierając nowy smartfon, zawsze patrzymy na jego wygląd, analizujemy jakość aparatu, czasem także ekranu i wyświetlanego na nim obrazu, a pojemność baterii trafia często na znacznie niższą pozycję listy pożądanych cech.

Co prawda, mniej wydajne (zwykle też mniej intensywnie wykorzystywane) smartfony potrafią działać równie długo na mniej pojemnej baterii, podobnie do flagowy Ch urządzeń z akumulatorem o większej pojemności, ale porównując telefony w podobnej klasie cenowej, wydajnościowej i funkcjonalnej zdecydowanie warto poddać ocenie również pojemność baterii... różnicę pojemności na poziomie 1000 mAh (na przykład 3000 mAh vs 4000 mAh) z pewnością szybko odczujemy w praktyce.

Wydajność akumulatorów w popularnych smartfonach

Ile mogą pracować na jednym ładowaniu dzisiejsze smartfony i czy rzeczywiście zauważalnie różnią się w tym zakresie od siebie? Poniżej prezentujemy wyniki uzyskane w dwóch testach wydajności akumulatora, które zaszyte są w dwóch popularnych androidowych aplikacjach – PCMark oraz GFXBench. Ta pierwsza prezentuje czas pracy podczas wykonywania zadań związanych z typowymi, ogólnymi zastosowaniami smartfonu. Druga, zorientowana jest przede wszystkim na wyświetlanie grafiki 3D, czyli pod obciążeniem zbliżonym do grania na smartfonie. Wszystkie pomiary zostały wykonane przy stałej jasności ekranu, ustawionej na 180 cd/m2. Kolory na wykresach informują, do jakiej klasy cenowej należy dane urządzenie. Czerwony – cena powyżej 2000 złotych, niebieski - 1000-2000 złotych, a zielony, to smartfony popularne, kosztujące poniżej 1000 złotych.

Na pomoc smartfonowym ogniwom...

Producenci telefonów są oczywiście świadomi całej sytuacji. Bateria zajmuje więc dziś większą część obudowy każdego smartfonu. Cały czas opracowuje się też chipsety, które mają zużywać możliwie mało energii w stanie czuwania oraz w czasie pracy wymagającej mniejszej wydajności. Optymalizowana energetycznie jest też z wersji na wersję praca systemu operacyjnego, a także kontrola działających w tle aplikacji.

Kolejnym elementem tej energetycznej układanki okazują się również ekrany. Rosną i mają coraz większą rozdzielczość, co powoduje też ich większe zapotrzebowanie na energię. Pewnym rozwiązaniem problemu jest stosowanie ekranów OLED, które nie dość, że prezentują lepszej jakości obraz, to jeszcze są bardziej energooszczędne. Czarne piksele takiego panelu nie świecą, a więc nie zużywają energii. Z tego ostatniego powodu dobrym pomysłem na dodatkową oszczędność w wypadku smartfonu z wyświetlaczem OLED jest skorzystanie z czarnej tapety oraz ciemnego interfejsu użytkownika.

Poszukując telefonu o bardzo dobrej wydajności baterii, oprócz samej pojemności (zwykle zawiera się ona pomiędzy 3000 mAh a 5000 mAh) powinniśmy zwracać też uwagę na szereg innych cech smartfonu. Na przykład, na zastosowany chipset. Okazuje się bowiem, że konstrukcje firm Qualcomm czy HiSilicon są zwykle bardziej energooszczędne niż na przykład układy opracowane przez firmy MediaTek lub Spreadtrum. Istotny jest też proces technologiczny - chipset wykonany w nowoczesnej litografii 7 nanometrów powinien być z zasady bardziej oszczędny energetycznie niż opracowany i wykonany w starszej, na przykład 14 czy 12 nanometrów.

Producenci smartfonów opracowali również dla naszej wygody technikę szybkiego ładowania akumulatora (maja ją zwykle modele od średniej półki wzwyż), której zadaniem jest minimalizowanie uciążliwości związanych z koniecznością uzupełniania energii w czasie dnia. Co to oznacza w praktyce? We flagowcach, wystarcza dziś zwykle kwadrans ładowania, aby utrzymać sprawność smartfonu przez kilka następnych godzin.

Trwałość smartfonowych akumulatorów

Użytkownicy iPhone‘ów firmy Apple od samego początku (2007) byli przyzwyczajeni do tego, że ich smartfony mają baterię niewymienialną przez użytkownika. Pozostali, mieli w razie potrzeby możliwość dokupienia, za relatywnie niewielkie pieniądze, nowego akumulatora i jego łatwej, samodzielnej wymiany. Problem trwałości baterii wydawał się więc wówczas mało istotny.

Sytuacja radykalnie uległa zmianie, mniej więcej w czasach pojawienia się na rynku pierwszego modelu Samsung Galaxy S bez wymiennej baterii, czyli Galaxy S6 (2015). Był on pierwszą, tak popularną na rynku jaskółką zwiastującą nadchodzące zmiany. Dziś, praktycznie każdy smartfon w celu wymiany akumulatora wymaga od nas wizyty w autoryzowanym serwisie. W wypadku flagowców, producenci tłumaczyli to nowe podejście koniecznością zachowania wodoszczelności obudowy, co do pewnego stopnia było wyjaśnieniem racjonalnym. Trudno je jednak obronić w wypadku średniaków pozbawionych obudowy odpornej na pył i wodę.

Co ta zmiana oznaczała w praktyce? Pomijając przypadkowe wpadki producentów, akumulatory markowych smartfonów bez problemu wytrzymują użytkowanie przez 2-3 lata, czyli przez okres trwania nawet najdłuższej umowy abonamentowej (zwykle szacuje się żywotność akumulatorów litowo-jonowych na około 1000 cykli ładowania/rozładowania). Niestety, po tym czasie wymiana akumulatora w serwisie może okazać się już mało opłacalna, co jest doskonałą informacją dla producentów... gdyż także dla nas oznacza to silny impuls do wymiany smartfonu na nowy.

Przyszłość zasilania w smartfonach

O konieczności rewolucji w zasilaniu smartfonów mówi się już dość długo, ale przełomu jakoś nie było widać. Wszyscy pracują jednak ponoć nad dalszym ulepszaniem ogniw zasilających, także tych stosowanych w smartfonach. Niedawno, firma Huawei poinformowała o gotowości do produkcji nowych akumulatorów litowo-jonowych, które wzbogacono grafenem. Zabieg taki ma nie tylko dwukrotnie zwiększyć żywotność baterii (czyli mielibyśmy spokój na około 4 lata), zmniejszyć jego standardową temperaturę pracy (o 5 stopni Celsjusza) i zwiększyć odporność na wysoką temperaturę pracy (do 60 stopni Celsjusza), co bez obaw pozwoli korzystać z telefonu w cieplejszym klimacie, ale... przede wszystkim umożliwi jeszcze szybsze ładowanie. Nad podobnym rozwiązaniem pracuje też podobno Samsung. Problemem jest jednak to, że nowe ogniwa z dodatkiem grafenu raczej nie sprawią, że nasze smartfony będą działać znacznie dłużej (nie mówi się bowiem o istotnym wzroście gęstości energetycznej), za to z pewnością akumulatory takie naładujemy całkowicie już w kilkanaście minut i będą one cechowały się lepszą żywotnością niż obecne rozwiązania litowo-jonowe i litowo-polimerowe. Na prawdziwy akumulatorowy przełom przyjdzie nam więc chyba jeszcze chwilę poczekać.