¿Cómo calcular la capacidad de la batería del iPhone?

Tomando como ejemplo la batería de iones de litio del iPhone, analice cómo calcular la capacidad de la batería de un teléfono móvil. Y conocimientos teóricos relacionados con las baterías de litio.

1. Batería de iones de litio para iPhone

Recientemente descubrí que mi iPhone XS se carga muy lentamente y la batería no es duradera. Cuando encendí el estado de la batería en la configuración, descubrí que la capacidad máxima de la batería del teléfono era solo del 81%. Se ha utilizado durante dos años y medio hasta ahora. ¿Por qué baja la capacidad de la batería? ¿Cuál es la capacidad de teléfono celular de la batería del iPhone XS? Marcado de la capacidad de la batería $¿$ Qué$significa\; m$$Ah\; ?$Siguió una serie de preguntas. La siguiente imagen muestra el estado de la batería:

2. Capacidad de la batería de litio

Necesito encontrar la capacidad del teléfono de la batería del iPhone XS. ^{Sin embargo, la introducción de energía y batería 1} en el sitio web oficial de Apple no mencionaba la capacidad de la batería del iPhone, lo que me sorprendió. En cambio, Apple describe la capacidad de la batería del iPhone en términos de cuánto tiempo se usa una función específica (video, audio). Esto es más amigable para los consumidores que no tienen muchos conocimientos técnicos en cuanto a su comprensión de la capacidad de la batería del iPhone. La fuente de alimentación y la batería se presentan de la siguiente manera:

Más tarde, con la idea de reemplazar la batería, busqué en Taobao una batería para teléfono móvil que pudiera reemplazar al iPhone XS. Después de buscar un poco, descubrí que el comerciante solo enumeraba los parámetros de la batería del iPhone 6P en la página de detalles, así que obtuve la siguiente imagen ² de la capacidad de la batería del iPhone 6P :

2.1 Cálculo de la capacidad de la batería

En la imagen de la capacidad de la batería del iPhone 6P, nos enfocamos en la capacidad nominal, el voltaje estándar y el voltaje límite de carga. A menudo entramos en contacto con la unidad de capacidad de la batería de capacidad nominal mAh, que también es un punto de venta defendido por los principales fabricantes de teléfonos móviles nacionales. La capacidad nominal de 3100 mAh significa que la batería puede funcionar durante 1 hora con una salida de corriente de descarga de 3100 mA. Sin embargo, los dispositivos de baja potencia, como los teléfonos móviles, a menudo no funcionan con la corriente de descarga máxima, pero seleccionan y ejecutan varios módulos requeridos con baja corriente para lograr un trabajo a largo plazo. El voltaje estándar es el voltaje de salida cuando la batería está funcionando. El voltaje límite de carga es el voltaje soportado del electrolito de la batería.

2.1.1 Corriente de salida de la batería

^{Deducimos inversamente} el tiempo de uso de las funciones específicas del iPhone 6P (video, audio) proporcionado por el sitio web oficial de Apple , y podemos obtener la corriente de salida de la batería cuando el iPhone 6P está funcionando con las funciones correspondientes.

• Reproducción de video, hasta 14 horas ³ , corriente de salida:
  $$i=3100mAh/14h\_\_=221mA\_\_$$
• Reproducción de audio, hasta 80 horas ³ , corriente de salida:
  $$i=3100mAh/80h\_\_=38mA\_\_\_$$

A partir de los resultados del cálculo, se encuentra que la corriente de salida de la batería del iPhone 6P es 7 veces mayor cuando se reproduce video que cuando se reproduce audio, y se puede ver que el fenómeno de calentamiento será más grave. Esto es consistente con nuestra experiencia de uso diario.

2.1.2 Conversión de la capacidad de la batería

En la imagen de la batería, encontramos 3100 mAh seguidos de 11,84 Wh, que es otra marca de capacidad de la batería. Sabemos que la fórmula de cálculo de la potencia es: $PAG=tu\ast I$ , la fórmula de unidad correspondiente es:$W=V\ast A=V\ast metro\_\ast 1000$ . Entonces también podemos obtener$La\; fórmula\; de\; la\; unidad\; Wh$ es:
$$¿Qué?=V\ast unh=V\ast mAh\_\ast 1000$$

Ponga el voltaje estándar de la batería de 3,82 V y la capacidad nominal de 3100 mAh (es decir, 3,1 Ah) en la fórmula, obtenga:
$$X=\mathrm{3,82}voltios\ast 3.1Ah\_=11.84Wh$$

De hecho, tanto los mAh como los Wh pueden considerarse como capacidad de la batería. Dado que la batería se encuentra en el proceso de funcionamiento normal, idealmente el voltaje estándar no cambiará, pero solo cambiará la corriente. Por lo tanto, usamos el cambio de mAh actual para juzgar el cambio de capacidad de la batería.

Al final, todos queremos tener una batería de alta capacidad para poder reducir la ansiedad por la carga cuando estamos fuera de casa. Para aumentar la capacidad de la batería, en base a $¿Qué?=mAh\_\ast V$ , podemos aumentar$V$ o$mAh$ , aumentando así la capacidad de la batería$¿Qué$ ? Pero desafortunadamente, quiero aumentar el voltaje de funcionamiento$V$ es muy difícil porque el límite superior del voltaje de resistencia del electrolito de la batería de litio es de^{4,5 V.}Si el voltaje de carga es superior a 4,5 V, la batería se dañará. Por lo tanto, el voltaje límite de carga de 4,35 V en la imagen de la capacidad de la batería del iPhone 6P puede entenderse como el voltaje de resistencia del electrolito de la batería. Desde un punto de vista teórico, es difícil mejorar aún más la tensión soportada del electrolito de la batería. Por lo tanto, en el proceso de producción de la batería real, principalmente mediante el aumento$mAhpara$ aumentar la capacidad de la batería$.$Como varios m A h mAhvendidos en Taobao$Paquete\; de\; batería\; 18650con$$capacidad$ de mAh .

Cómo aumentar $mAh$ , esto necesita ser explorado desde el principio de funcionamiento de la batería$.$

3. Principio de funcionamiento de la batería de litio

Como excelente dispositivo de almacenamiento de energía, las baterías de iones de litio se componen principalmente de cuatro partes: material de electrodo positivo, material de electrodo negativo, electrolito y separador . Entre ellos, los materiales de los electrodos positivo y negativo pueden garantizar la intercalación y extracción reversibles de iones de litio en él , para lograr el propósito de almacenar y liberar energía. El electrolito debe tener una alta conductividad de iones de litio y una conductividad electrónica extremadamente baja para garantizar que los iones de litio puedan conducirse rápidamente en el electrolito y reducir la autodescarga. El separador está en el medio de los materiales del electrodo positivo y negativo, evitando el cortocircuito de la batería debido al contacto directo entre los dos electrodos, y tiene buena humectabilidad al electrolito, que puede formar un canal de migración para los iones de litio. ⁵

El principio básico de funcionamiento de una batería recargable de iones de litio ⁵ se muestra en la figura:

Al cargar, el Li+ sale del electrodo positivo del óxido de cobalto y litio, y se incrusta en el grafito a través del electrolito y el diafragma.Los electrones pasan por el circuito externo del electrodo positivo al electrodo negativo y van acompañados de la oxidación del Co3+ en El material del electrodo positivo La concentración de iones de litio en el material del electrodo positivo disminuye y la concentración de iones de litio en el material del electrodo negativo aumenta. El proceso de descarga es todo lo contrario. Li+ escapa espontáneamente del electrodo negativo a través del electrolito y el separador y se incrusta en el material del electrodo positivo. Los electrones llegan al electrodo positivo desde el circuito externo y provocan la reducción del cobalto de alto precio. ⁵

En el proceso de carga y descarga de la batería, debe haber pérdida de material de electrodo positivo, material de electrodo negativo, electrolito y separador. ¿Cuál es la relación entre la pérdida de estos materiales y el número de tiempos de carga y descarga? Discuta a continuación.

4. Pérdida de funcionamiento de la batería de litio

Qian Dongpei et ^al6 realizaron un estudio experimental sobre la relación entre la pérdida de material de la batería de litio y los tiempos de carga y descarga en el método de diagnóstico de deterioro de la capacidad de la batería de iones de litio, y obtuvieron la relación entre la capacidad de la batería y los tiempos de carga y descarga como se muestra en la Figura ⁶ :

En la Figura (a), a medida que aumenta el número de ciclos de carga y descarga (Ciclo) de la batería de litio, la capacidad de la batería (Capacidad) disminuye gradualmente. Después de 200 ciclos, la capacidad de la batería ha disminuido a menos del 80 % de la capacidad inicial. , y la tasa de disminución de la capacidad aumenta gradualmente en el período posterior. Durante el proceso de carga y descarga del ciclo, los resultados de la disminución de la capacidad de la batería y la disminución de los componentes internos se muestran en la Figura (b). A medida que aumenta el número de ciclos, la capacidad de la batería disminuye linealmente en la etapa inicial de envejecimiento, pero su velocidad de descomposición se acelera significativamente después de 100 ciclos. $q_{}$、$q_{}$、$q_{yo}$Significativamente atenuado, donde $q_{yo}$Dar $q_{}$Después de las primeras 100 veces de decaimiento estable, es similar a la capacidad de la batería y presenta un decaimiento rápido exponencial; $q_{}$El decaimiento estable aproximadamente lineal durante el ciclo completo indica que el PE se pierde más fácilmente durante el ciclo que los materiales activos NE en las baterías de iones de litio. Al final del ciclo de la batería, la disminución acelerada de la capacidad está estrechamente relacionada con la pérdida del material activo del electrodo positivo de la batería y la pérdida de los iones de litio disponibles en la batería. ⁶

En este artículo, también se estudian experimentalmente los cambios de resistencia interna de dos baterías A y B después de una carga y descarga cíclica. El cambio de resistencia interna de las baterías A y B durante el ciclo de carga y descarga se muestra en la Figura ⁶ :

En la figura se puede ver que la resistencia interna de las baterías A y B aumenta gradualmente durante el ciclo y se divide claramente en dos etapas, y la tasa de crecimiento de la resistencia interna se acelera repentinamente en la última etapa del ciclo.

5. Conclusión y resumen

Este documento estudia la causa de la pérdida de capacidad de la batería de iones de litio de los teléfonos móviles iPhone desde el nivel principal y encuentra que la disminución de la capacidad de la batería de litio proviene principalmente de la pérdida de materiales de electrodos internos y electrolitos causada por el ciclo de carga y descarga de la batería . . Al mismo tiempo, este documento presenta la comprensión de la capacidad de la batería de los teléfonos móviles en el mercado, analiza los métodos de comprensión y cálculo de la capacidad de la batería en mAh e introduce la fórmula de conversión de mAh y Wh.

6. Referencias

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1. https://www.apple.com.cn/iphone-13/specs/#footnote-12 ↩︎

2. https://detail.tmall.com/item.htm？spm=a230r.1.14.16.51cd770fC1iZXf&id=653520372792&ns=1&abbucket=1&skuId=4941606031622 ↩︎

3. https://www.apple.com.cn/iphone/compare/?modelList=iphone13promax,iphone13pro,iphone6plus ↩︎ ↩︎ ↩︎

4. Zhang Jin. El proceso de desarrollo y la tendencia de las baterías de teléfonos móviles[J]. Science and Technology Wind, 2015(23): 45. DOI: 10.19392/j.cnki.1671-7341.2015.23.038. ↩︎

5. Xiao Han, Chengkun Zhang, Hualong Wu, Youzhang Huang, Qingshui Xie, Laishen Wang, Dongliang Peng. Principio de funcionamiento y materiales clave de las baterías de iones de litio [J] Metal Functional Materials, 2021, 28 (02): 37-58. DOI:10.13228/ j.boyuan.issn1005-8192.20210001. ↩︎ ↩︎ ↩︎

6. Qian Dongpei, Jiang Jiongting, Yang Yueping, Wang Jiongeng, Dong Dong, Liu Shuangyu, Xu Junjie, Wang Danni. Método de diagnóstico para el desvanecimiento de la capacidad de las baterías de iones de litio [J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2022, 40 (03) ):406-411.DOI:10.14136 /j.cnki.issn1673-2812.2022.03.006. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎