ස්මාර්ට්ෆෝන් සඳහා අධි ධාරිතාවයකින් යුත් බැටරි නිර්මාණය සහ නිෂ්පාදනය
ස්මාර්ට්ෆෝන් භාවිතා කරන්නන්ගේ ඉල්ලීම් අඛණ්ඩව වර්ධනය වේ: විශාල තිර, ඉහළ නැවුම් කිරීමේ අනුපාත, 5G සම්බන්ධතාවය, ඉහළ විභේදන කැමරා සහ දවස පුරා ක්‍රියාත්මක වන විවිධ යෙදුම්. මේ සියල්ල බලශක්ති පරිභෝජනය වැඩි කරයි. එබැවින්, විශාල ධාරිතාවකින් යුත් බැටරි පරිශීලක අත්දැකීම වැඩිදියුණු කිරීම සඳහා නිෂ්පාදකයින්ගේ ප්‍රධාන ආයුධයක් බවට පත්ව ඇත. කෙසේ වෙතත්, බැටරි ධාරිතාව වැඩි කිරීම භෞතික ප්‍රමාණය වැඩි කිරීම තරම් සරල නොවේ. නිර්මාණය, ද්‍රව්‍ය, ආරක්ෂාව, පිරිවැය සහ සංකීර්ණ නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලීන්හි අභියෝග තිබේ. තාක්ෂණික අංශවල සිට කාර්මික භාවිතයන් දක්වා ස්මාර්ට්ෆෝන් සඳහා විශාල ධාරිතාවකින් යුත් බැටරි නිර්මාණය කර නිෂ්පාදනය කරන ආකාරය මෙම ලිපියෙන් සාකච්ඡා කෙරේ.
1. "විශාල ධාරිතා බැටරි" යන්නෙන් අදහස් කරන්නේ කුමක්ද?
බැටරි ධාරිතාව සාමාන්‍යයෙන් මනිනු ලබන්නේ මිලිඇම්පියර්-පැය (mAh) හෝ වොට්-පැය (Wh) වලිනි. නවීන ස්මාර්ට්ෆෝන් වල, "විශාල" ධාරිතාවන් සාමාන්‍යයෙන් 5.000 mAh සහ ඊට වැඩි පරාසයක පවතින අතර සමහර මාදිලි 6.000–7.000 mAh දක්වා ළඟා වේ. කෙසේ වෙතත්, නාමික වෝල්ටීයතාවය වෙනස් නම් mAh අගය සැමවිටම සැබෑ බලය පිළිබිඹු නොකරයි. එබැවින්, නිෂ්පාදකයින් බොහෝ විට සාධාරණ සංසන්දනයන් සඳහා Wh ඇතුළත් කරයි. ධාරිතාවයට අමතරව, අනෙකුත් වැදගත් මිනුම් වන්නේ ශක්ති ඝනත්වය (පරිමාවකට හෝ ස්කන්ධයකට කොපමණ ශක්තියක් ගබඩා කර ඇත්ද) සහ බල ඝනත්වය (ක්‍රීඩා කිරීම වැනි උච්ච බර පැටවීම් වලදී ඉහළ බලයක් ලබා දීමේ හැකියාව) ය.
2. ස්මාර්ට්ෆෝන් බැටරි වල මූලික මූලධර්ම
බොහෝ ස්මාර්ට්ෆෝන් ලිතියම්-අයන (Li-ion) හෝ ලිතියම්-පොලිමර් (Li-Po) බැටරි භාවිතා කරයි. "පොලිමර්" යන පදය බොහෝ විට තුනී, නම්‍යශීලී බෑග් ඇසුරුම්කරණයට යොමු කරයි, නමුත් එයින් සම්පූර්ණයෙන්ම වෙනස් රසායනික සංයුතියක් අදහස් නොවේ. සාමාන්‍යයෙන්, බැටරි වලින් සමන්විත වන්නේ:
– ඇනෝඩය (සාමාන්‍යයෙන් මිනිරන්, සමහර විට ධාරිතාව වැඩි කිරීම සඳහා සිලිකන් එකතු කරනු ලැබේ),
– කැතෝඩය (උදා: නිකල් මත පදනම් වූ NMC/NCA, හෝ සමහර මෝස්තරවල LCO),
– ඉලෙක්ට්‍රෝටයිට් (ලයිසියම් අයන රැගෙන යන ද්‍රව හෝ ජෙල්),
– වෙන් කරන්නා (කෙටි පරිපථ වැළැක්වීම සඳහා ඇනෝඩය සහ කැතෝඩය වෙන් කරයි),
– වත්මන් එකතු කරන්නා සහ ටැබ්,
– ඇසුරුම් කිරීම (ඇලුමිනියම්-ලැමිෙන්ටඩ් මල්ල).
ධාරිතාව වැඩි කිරීම යනු ආරක්ෂාව, චක්‍ර කල්පැවැත්ම සහ වඩ වඩාත් තුනී ස්මාර්ට්ෆෝන් ශරීර සඳහා සුදුසු ප්‍රමාණය පවත්වා ගනිමින් ලිතියම් අයන ගබඩා කළ හැකි ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍ය ප්‍රමාණය වැඩි කිරීමයි.
3. සැලසුම් සාධක: තුනී, සැහැල්ලු සහ ආරක්ෂිත අතර
a) ස්මාර්ට් ජංගම දුරකථනයේ අභ්‍යන්තර අවකාශය
බොහෝ දුරකථන වල විශාලතම සංරචකය බැටරියයි. යාන්ත්‍රික නිර්මාණකරුවන් අනෙකුත් සංරචක සමඟ අවකාශය "සකස්" කළ යුතුය: මවු පුවරුව, කැමරා මොඩියුලය, ස්පීකර්, ස්පර්ශක මෝටර, සිසිලන පද්ධතිය සහ ඇන්ටනා. එතරම් විශාල ධාරිතාවක් ලබා ගැනීම සඳහා, නිෂ්පාදකයින් සාමාන්‍යයෙන්:
- බැටරි ප්‍රදේශය උපරිම කරන්න (අවකාශය අනුව "L" හෝ "පියවර" හැඩයකට ළඟා වන්න),
- අඩු වූ හිස් අවකාශය (යාන්ත්‍රික ඉවසීම් අඩු වේ),
- බැටරිය සඳහා වැඩි ඉඩක් ලබා දීම සඳහා පුවරු පිරිසැලසුම (ඇසුරුම් පුවරුව) ගෙන යන ලදී.
b) ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ඝණකම සහ ශක්ති ඝනත්වය
ඉලෙක්ට්‍රෝඩය මත ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍ය පැටවීම වැඩි වන විට ධාරිතාව වැඩි වේ. කෙසේ වෙතත්, ඕනෑවට වඩා ඝන ඉලෙක්ට්‍රෝඩ අයන විසරණයට බාධා කළ හැකිය, අභ්‍යන්තර ප්‍රතිරෝධය වැඩි කළ හැකිය, තාපය ජනනය කළ හැකිය, සහ ඉහළ ධාරා වලදී ක්‍රියාකාරිත්වය අඩු කළ හැකිය. එබැවින්, විශාල බැටරි සැලසුම් සමතුලිත විය යුතුය:
– ඇනෝඩ/කැතෝඩ ස්ථරයේ ඝනකම,
– ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සිදුරු,
– බන්ධක සහ සන්නායක ආකලන සංයුතිය,
– ටැබ් නිර්මාණය (ප්‍රතිරෝධය අඩු කිරීම සඳහා බහු-ටැබ්).
ඇ) තාප කළමනාකරණය
විශාල බැටරි වැඩි ශක්තියක් ගබඩා කරයි, එබැවින් තාපය හා අසාර්ථකත්වයේ ප්‍රතිවිපාක ද වඩාත් බරපතල ය. නවීන දුරකථන SoC වලින් තාපය විසුරුවා හැරීමට සහ ඒ සමඟම බැටරිය අධික උෂ්ණත්වයන්ට මුහුණ දීමෙන් වළක්වා ගැනීමට තාප ද්‍රව්‍ය (මිනිරන් තහඩු, වාෂ්ප කුටි හෝ තාප පැතිරීම්) භාවිතා කරයි. සැලසුම අනුව, බැටරිය ප්‍රධාන තාප ප්‍රභවයන්ගෙන් ඈත් කළ යුතුය.
d) සෛල වෝල්ටීයතාවය සහ වින්‍යාසය
බොහෝ ස්මාර්ට්ෆෝන් 3,85 V පමණ නාමික වෝල්ටීයතාවයක් සහිත තනි සෛලයක් භාවිතා කරයි (රසායනය මත පදනම්ව). වේගවත් ආරෝපණය සඳහා, සමහර නිෂ්පාදකයින් ද්විත්ව සෛල ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයක් (උදා: ශ්‍රේණිගත හෝ සමාන්තර සෛල දෙකක්) භාවිතා කරමින් එක් එක් සෛලය හරහා ගමන් කරන ධාරාව අඩු කර ආරෝපණය කිරීම ආරක්ෂිත සහ කාර්යක්ෂම කරයි. තනි සෛලයක් වැඩිපුර වැඩ නොකර ඉහළ ආරෝපණ වේගයකින් ඉහළ ධාරිතාවක් ලබා ගැනීම ද්විත්ව සෛලය පහසු කරයි.
4. රසායන විද්‍යාව සහ ද්‍රව්‍ය: ධාරිතාව වැඩි කරන්නේ කෙසේද?
a) ඉහළ නිකල් කැතෝඩය (NMC/NCA)
ඉහළ නිකල් කැතෝඩවලට ඉහළ ශක්ති ඝනත්වයක් ලබා දිය හැකිය. කෙසේ වෙතත්, අභියෝගවලට තාප ස්ථායිතාව සහ පිරිහීම ඇතුළත් වේ. මේ සඳහා දැඩි නිෂ්පාදන පාලනයන්, ඉලෙක්ට්‍රෝලය ආකලන සහ ශක්තිමත් ආරක්ෂණ සැලසුමක් අවශ්‍ය වේ.
b) ග්‍රැෆයිට් + සිලිකන් ඇනෝඩය
සිලිකන් වලට ග්‍රැෆයිට් වලට වඩා බොහෝ ලිතියම් ගබඩා කළ හැකි නමුත් එය ආරෝපණය කිරීමේදී ප්‍රසාරණය වන අතර පහසුවෙන් කැඩී ගොස් එහි ආයු කාලය අඩු කරයි. කාර්මික ද්‍රාවණය සාමාන්‍යයෙන් චක්‍ර ආයු කාලය දැඩි ලෙස අවදානමට ලක් නොකර ධාරිතාව වැඩි කිරීම සඳහා සිලිකන්-ඩෝප් කරන ලද ග්‍රැෆයිට් (සිලිකන් කුඩා ප්‍රමාණයක් මිශ්‍ර කර ඇත) වේ.
ඇ) ඉලෙක්ට්‍රෝටයිට් සහ ආකලන
නවීන ඉලෙක්ට්‍රෝටයිට්, ස්ථායී ඝන ඉලෙක්ට්‍රෝලයිට් අතුරුමුහුණත (SEI) ස්ථරයක් සෑදීමට ආකලන භාවිතා කරයි, වායුව සෑදීම අඩු කරයි, ආරක්ෂාව වැඩි දියුණු කරයි සහ වේගවත් ආරෝපණ කාර්ය සාධනය පවත්වා ගනී. විශාල බැටරි නිරවද්‍ය ඉලෙක්ට්‍රෝලය සූත්‍රගත කිරීම මත දැඩි ලෙස රඳා පවතින්නේ අභ්‍යන්තර පීඩනය සහ ඉදිමීමේ අවදානම ප්‍රමාණය හා ශක්තිය සමඟ වැඩි වන බැවිනි.
5. ස්මාර්ට් ජංගම දුරකතනයේ ආරක්ෂණ පරිපථය සහ BMS
බැටරි සෛල වැදගත් වන අතර, ආරක්ෂාව ද ඉලෙක්ට්‍රොනික පද්ධති මත බෙහෙවින් රඳා පවතී:
– ආරක්ෂණ IC (අධික ආරෝපණය, අධික විසර්ජනය, අධික ධාරාව),
– උෂ්ණත්වය නිරීක්ෂණය කිරීම සඳහා NTC/උෂ්ණත්ව පාලකය,
- ආරෝපණ ඇල්ගොරිතම (CC-CV) සහ උෂ්ණත්වය මත පදනම් වූ ධාරා සීමා කිරීම,
– බැටරි ප්‍රතිශතය නිවැරදි වන පරිදි ධාරිතාව (ඉන්ධන මානය) ක්‍රමාංකනය කරන්න.
විශාල ධාරිතාවකින් යුත් බැටරිවලට සෞඛ්‍යය පවත්වා ගැනීම සඳහා වඩා හොඳ ඇල්ගොරිතම අවශ්‍ය වේ, උදාහරණයක් ලෙස බැටරි සෞඛ්‍ය කළමනාකරණ විශේෂාංග, පරිශීලකයා ආරක්ෂණ මාදිලිය සක්‍රිය කරන විට ආරෝපණය 80-90% දක්වා සීමා කිරීම හෝ රාත්‍රියේදී අනුවර්තන ආරෝපණය කිරීම.
6. නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලිය: අමුද්‍රව්‍යවල සිට බැටරි සෛල දක්වා
Li-ion බැටරි නිෂ්පාදනය යනු අදියර කිහිපයක් සහිත නිරවද්‍ය කර්මාන්තයකි:
අ) පොහොර සෑදීම
ක්‍රියාකාරී ද්‍රව්‍යය (කැතෝඩය/ඇනෝඩය), බන්ධකය, ද්‍රාවකය සහ සන්නායක ආකලන පොහොර මිශ්‍රණයකට මිශ්‍ර කරනු ලැබේ. මිශ්‍ර කිරීමේ අනුපාතය ධාරිතාව, ප්‍රතිරෝධය සහ කල්පැවැත්මට බලපායි. සෛල අතර කාර්ය සාධන වෙනස්කම් වළක්වා ගැනීම සඳහා පොහොර අනුකූලතාව ස්ථාවර විය යුතුය.
ආ) ආලේපනය සහ වියළීම
මෙම පොහොර ධාරා එකතු කරන්නා තීරු මත ආලේප කර ඇත (කැතෝඩය සඳහා ඇලුමිනියම්, ඇනෝඩය සඳහා තඹ). ඉන්පසු ද්‍රාවකය වාෂ්ප කිරීම සඳහා එය වියළනු ලැබේ. අසමාන ආලේපනය උණුසුම් ස්ථාන සහ ධාරිතාව අඩු කිරීමට හේතු විය හැකි බැවින් මෙම පියවර ඉතා වැදගත් වේ.
ඇ) දින දර්ශනකරණය
ඝනකම සහ ඝනත්වය පාලනය කිරීම සඳහා ඉලෙක්ට්‍රෝඩ රෝලරයකින් සංයුක්ත කර ඇත. කැලැන්ඩරින් කිරීම ශක්ති ඝනත්වය වැඩි කරයි, නමුත් අධික ලෙස සංයුක්ත කිරීම සිදුරු අඩු කර අයන විසරණය අඩාල කළ හැකිය.
ඈ) කැපීම සහ කැපීම
ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ප්‍රමාණයට කපා ඇත. කැපූ දාරවල පිරිසිදුකම වැදගත් වේ; කුඩා ලෝහ අංශු හෝ බර්ස් අභ්‍යන්තර කොට කලිසම් වලට හේතු විය හැක.
e) ගොඩගැසීම හෝ එතීම
ස්මාර්ට්ෆෝන් බෑග් සෛල සඳහා, ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහ බෙදුම්කරුවන් ගොඩගැසී හෝ රෝල් කර ඇත (ජෙලි රෝල්). ස්මාර්ට්ෆෝන් සාමාන්‍යයෙන් තුනී සහ විශේෂිත ආකෘති වලට ප්‍රමුඛත්වය දෙයි, එබැවින් ඉඩ ප්‍රයෝජනය උපරිම කිරීම සඳහා ගොඩගැසීමේ ශිල්පීය ක්‍රම බහුලව දක්නට ලැබේ.
f) ටැබ් සවි කිරීම සහ මුද්‍රා තැබීම
ඇනෝඩය/කැතෝඩ ටැබ් වෑල්ඩින් කර, පසුව සෛලය මල්ල ඇසුරුමට ඇතුළු කර අර්ධ වශයෙන් මුද්‍රා තබනු ලැබේ.
g) ඉලෙක්ට්‍රෝලය පිරවීම සහ රික්ත මුද්‍රා තැබීම
ඉලෙක්ට්‍රෝලය එන්නත් කර, වාතය ඉවත් කර (රික්තය) පසුව බෑගය තදින් මුද්‍රා තබනු ලැබේ. ජලය ඉලෙක්ට්‍රෝලය සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කර වායුව නිපදවන අතර ආරක්ෂාවට හානි කරන බැවින් ජල දූෂණය අතිශයින් අඩු විය යුතුය.
h) ගොඩනැගීම සහ වයසට යාම
SEI ස්ථරය සංවර්ධනය කිරීම සඳහා සෛල මූලික ආරෝපණ චක්‍රයකට (සැදීම) භාජනය වේ. මෙය දිගු හා මිල අධික ක්‍රියාවලියකි, නමුත් එය ගුණාත්මකභාවය තීරණය කරයි. පසුව, වෝල්ටීයතා ස්ථායිතාව සහතික කිරීම සහ දෝෂ සහිත සෛල හඳුනා ගැනීම සඳහා වයස්ගත වීම සිදු කෙරේ.
i) ශ්‍රේණිගත කිරීම සහ තත්ත්ව පාලනය
ධාරිතාව, අභ්‍යන්තර ප්‍රතිරෝධය, කාන්දු වීම, ස්වයං-විසර්ජනය සහ උෂ්ණත්ව ප්‍රතිචාරය සඳහා සෛල පරීක්ෂා කරනු ලැබේ. ඉන්පසු බැටරි ඇසුරුම්වල ස්ථාවරත්වය සහතික කිරීම සඳහා සෛල ශ්‍රේණිගත කරනු ලැබේ.
7. විශාල බැටරි විශේෂිත අභියෝග: ඉදිමීම සහ චක්‍ර කල්පැවැත්ම
ශක්තිය වැඩි වන තරමට, තත්ත්ව පාලනය වඩාත් වැදගත් වේ. පරිශීලකයින් නිතර සාකච්ඡා කරන ගැටළු දෙකක් නම්:
– පිරිහීම: SEI වර්ධනය, ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ඉරිතැලීම හෝ ක්‍රියාකාරී ලයම් පරිභෝජනය හේතුවෙන් චක්‍ර සිය ගණනකට පසු ධාරිතාව අඩු වේ.
– ඉදිමීම: අතුරු ප්‍රතික්‍රියා, අධික උෂ්ණත්වයන් හෝ පරිපූර්ණ නොවන පිරවීම හේතුවෙන් වායුව සෑදීම නිසා සිදුවිය හැක.
මෙය වලක්වා ගැනීම සඳහා, නිෂ්පාදකයින් ඉලෙක්ට්‍රෝලයිට් ආකලන ප්‍රශස්ත කිරීම, වඩාත් ස්ථායී ද්‍රව්‍ය තෝරා ගැනීම, කර්මාන්තශාලා ආර්ද්‍රතා පාලනය වැඩි දියුණු කිරීම සහ ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී අඩු ආක්‍රමණශීලී වීම සඳහා ආරෝපණ ඇල්ගොරිතම වැඩි දියුණු කිරීම සිදු කරයි.
8. වේගවත් ආරෝපණය සහ විශාල ධාරිතාව: අත්වැල් බැඳගත යුතුය.
ඉහළ ධාරිතාවක් බොහෝ විට වේගවත් ආරෝපණය සඳහා ඇති ඉල්ලුම සමඟ පැමිණේ. කෙසේ වෙතත්, නිසි ලෙස නිර්මාණය කර නොමැති නම් වේගවත් ආරෝපණය උෂ්ණත්වය වැඩි කරන අතර පිරිහීම වේගවත් කරයි. විසඳුම්වලට ඇතුළත් වන්නේ:
– ද්විත්ව සෛල ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පය,
- හොඳ සන්නිවේදන පද්ධතියක් සහිත චාජර් (PD/PPS හෝ හිමිකාර ප්‍රොටෝකෝලය),
- ද්විත්ව උෂ්ණත්ව සංවේදක (සෛලය තුළ සහ ප්‍රධාන පුවරුවේ),
- පියවරෙන් පියවර ආරෝපණ වක්‍රය සහ අනුවර්තන බල සීමාව.
9. අනාගත දිශාවන්: ඝන සහ ආරක්ෂිත බැටරි දෙසට
අඛණ්ඩව සංවර්ධනය වන නවෝත්පාදනවලට ඇතුළත් වන්නේ:
- නව නැනෝ ව්‍යුහයන් හෝ බන්ධක සමඟ ඇනෝඩයේ සිලිකන් කොටස වැඩි කිරීම,
- ඉහළ ස්ථායිතාවයක් සහ අඩු කොබෝල්ට් අන්තර්ගතයක් සහිත කැතෝඩය,
- වඩා තාප ප්‍රතිරෝධී බෙදුම්කරු සහ ඉලෙක්ට්‍රෝලය,
– දිගු කාලීනව ඝන-තත්ව (ඝන ඉලෙක්ට්‍රොලයිට්) වෙත සංක්‍රමණය වීමේ විභවය, නමුත් එය තවමත් පිරිවැය, මහා පරිමාණ නිෂ්පාදනය සහ අඩු උෂ්ණත්ව ක්‍රියාකාරිත්වයේ අභියෝගවලට මුහුණ දෙයි.
නිගමනය
ස්මාර්ට්ෆෝන් සඳහා ඉහළ ධාරිතාවකින් යුත් බැටරි නිර්මාණය සහ නිෂ්පාදනය ද්‍රව්‍ය ඉංජිනේරු විද්‍යාව, යාන්ත්‍ර විද්‍යාව, ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සහ නිරවද්‍ය නිෂ්පාදනයේ සංකීර්ණ සංයෝජනයකි. ඉහළ ධාරිතාව යනු mAh වැඩි කිරීම පමණක් නොව, නවීන පරිශීලකයින්ගේ අවශ්‍යතා සපුරාලීම සඳහා බලශක්ති ඝනත්වය, ආරක්ෂාව, තාප කළමනාකරණය සහ ආයු කාලය පවත්වා ගැනීම ද වේ. ඉහළ නිකල් කැතෝඩ සහ ග්‍රැෆයිට්-සිලිකන් ඇනෝඩ වැනි ද්‍රව්‍යවල දියුණුවත් සමඟ, ද්විත්ව සෛල ගෘහ නිර්මාණ ශිල්පයේ නවෝත්පාදනයන් සහ අනුවර්තන ආරෝපණ ඇල්ගොරිතම සමඟ, අද ස්මාර්ට්ෆෝන් වලට පහසුව සහ ආරක්ෂාව කැප නොකර දිගු බැටරි ආයු කාලයක් ලබා දිය හැකිය. ඉදිරියට යන විට, තරඟකාරිත්වය "ධාරිතා සංඛ්‍යා" ඉක්මවා යනු ඇත, නමුත් නිෂ්පාදකයින් වැඩි වැඩියෙන් සංයුක්ත උපාංගවල ධාරිතාව, ආරෝපණ වේගය, බැටරි ආයු කාලය සහ ආරක්ෂාව කෙතරම් හොඳින් සමතුලිත කරයිද යන්න ද වෙනස් වනු ඇත.
