SS: батареи тоже изнашиваются, поэтому не всегда стоит их полностью заряжать

Фото из открытых источников

Большее количество энергии на одном заряде может означать более быструю деградацию батареи. Исследования физико-химиков из Варшавы показывают, как глубокая зарядка повреждает катодный материал. Это также помогает понять функцию, которая останавливает зарядку телефона до того, как он достигнет 100 процентов.

Мы подключаем телефон к зарядке вечером и ожидаем, что утром батарея будет полностью заряжена. Так почему же устройство предлагает прекратить зарядку при достижении 80 процентов? Выбирая этот предел, мы жертвуем частью энергии, доступной сегодня, чтобы продлить время работы батареи.

Группа исследователей с химического факультета Варшавского университета и физического факультета Варшавского политехнического университета изучила физические основы этого компромисса. В статье, опубликованной в научном журнале Small Structures, они исследовали NMC622 — оксид, содержащий литий, никель, марганец и кобальт, используемый в положительном электроде батарей, называемом катодом. 

В процессе зарядки ионы лития покидают катод и мигрируют к другому электроду. Во время разрядки они возвращаются. В исследуемом материале они занимают пространства между слоями, состоящими из других металлов и кислорода. Их удаление и внедрение изменяют расстояния между слоями. Чем глубже заряжается элемент, тем больше лития удаляется из катода и тем сильнее может деформироваться его структура.

Исследователи останавливали лабораторные ячейки на определенных этапах работы, разбирали их и изучали электроды с помощью нескольких методов. Свет, рассеянный материалом, предоставлял информацию о локальных структурных изменениях, рентгеновские лучи выявляли расположение атомов, а электронные микроскопы обнаруживали повреждения. Было получено изображение катода, на котором отдельные участки заряжались неравномерно.

В процессе глубокой зарядки кристаллические слои смещались, вращались и изгибались. После 50 циклов при максимальном потенциале катода 4,3 В трещины возникали преимущественно на границах зерен. При 4,7 В они также проникали внутрь зерен. Часть атомных перестроек обратилась вспять после возвращения лития, но сохраняющиеся трещины могут препятствовать дальнейшему улучшению характеристик материала. Эти напряжения нельзя напрямую перевести в проценты, отображаемые на телефоне. Они измерялись относительно литиевого электрода, и исследование было сосредоточено на конкретном катодном материале. Однако результаты показывают, почему попытка извлечь из батареи все большую емкость может сократить срок ее службы.

В повседневном использовании выбор верхнего уровня заряда соответствует этому. Если телефон, заряженный до 80 процентов, работает целый день, ограничение может помочь сохранить состояние батареи. Когда требуется полная зарядка, полезна адаптивная зарядка: устройство достигает 100 процентов только перед ожидаемым отключением, сокращая время, проведенное в полностью заряженном состоянии. Производители телефонов предлагают такие решения. Исследование помогает объяснить механизм повреждения, но не устанавливает универсальный порог для безопасного уровня заряда батареи.

Исследователи в первую очередь изучали уровень заряда и заключительную фазу зарядки. Сравнение быстрых и медленных зарядных устройств выходило за рамки их исследования. На практике при выборе скорости зарядки (т.е. мощности зарядного устройства) также важно учитывать температуру, которая, как подчеркивают производители, влияет на время работы батареи. Если быстрая зарядка значительно нагревает телефон, а у вас есть время, стоит использовать более медленный режим. То же самое относится к выбору между проводной и индукционной зарядкой. Если устройство заметно нагревается на индукционной зарядной панели, чем при проводной зарядке, проводная зарядка может быть лучшим выбором для увеличения времени работы батареи. Важно также учитывать особенности нагрева конкретного телефона в конкретных условиях. 

Однако более емкий аккумулятор обеспечивает больший запас хода. При том же суточном потреблении энергии проще ограничить зарядку и при этом дотянуть до вечера. Сама по себе емкость не гарантирует большей долговечности — материал элементов, температура и контроль зарядки также имеют значение. Нам может понадобиться полная емкость перед поездкой. В обычный день оставление некоторого запаса неиспользованным может быть разумной ценой за более длительный срок службы батареи.