Мы сами ломаем свои смартфоны: вот что убивает батарею на самом деле

Каждый день мы заряжаем смартфон, и с каждым разом его батарея садится чуть быстрее. Мы привыкли думать, что главный враг аккумулятора это время или количество циклов зарядки. Также доказано, что батарея телефона сильно изнашивается на жаре. Но ученые выяснили, что износ аккумулятора смартфона ускоряет фактор, о котором большинство даже не догадывается. И решение этой проблемы оказалось настолько простым, что его можно применить прямо сейчас.

Из-за чего стареет аккумулятор смартфона прежде всего

Долгие годы деградация литий-ионных аккумуляторов связывалась исключительно с процессом накопления энергии. Ученые считали, что поверхность катода, материала, который накапливает и отдает ионы лития, разрушается при высоких напряжениях во время зарядки. В этот момент катод теряет литий, становится нестабильным, его структура рушится, и материал превращается в беспорядочную массу. Это мешает нормальному движению ионов и постепенно снижает производительность батареи.

Новое исследование, проведенное специалистами из Южной Кореи, доказало, что износ аккумулятора происходит и в обратном направлении, при разрядке. Подробности об этом были рассказаны в научном журнале Advanced Energy Materials.

Что происходит при разрядке смартфона

Исследователи попытались выяснить, как стареет батарея при разрядке на микроскопическом уровне. Для этого они изучили популярные катоды типа NMC (никель-марганец-кобальт), которые массово используются в современных электромобилях. Когда напряжение падает ниже 3,0 вольт, литий возвращается в катод, но атомы кислорода вблизи поверхности начинают отрываться.

В рамках научной работы исследователям потребовались передовые микроскопы, спектроскопия и сложное компьютерное моделирование. Они обнаружили, что из-за потери кислорода образуются микроскопические пустоты. Поверхность катода меняет свою фазу на структуру, похожую на каменную соль. Если представить катод как ровную кирпичную стену, то при глубокой разрядке ее внешний слой осыпается и превращается в груду щебня.

Моделирование показало, что атомы кислорода на поверхности связаны слабее, чем в глубине материала, поэтому они легко отрываются даже в, казалось бы, безопасных условиях.

Как батарея смартфона теряет емкость

Физические последствия этих изменений оказались разрушительными. В результате постоянная разрядка до нуля вызывает вздутие батареи, а это верный признак внутренней поломки. Когда устройство разряжается почти полностью, кислород начинает стремительно покидать поверхность катода.

Анализ газов показал, что в глубоко разряженных ячейках выделялось в 29 раз больше газа. Электролит внутри батареи превращался в ядовитый коктейль из метанола и фрагментов этиленкарбоната.

Эксперименты подтвердили страшные цифры. Батареи с высоким содержанием никеля, которые регулярно подвергались глубокой разрядке, теряли почти всю свою способность хранить энергию спустя 250 циклов, у них оставалось всего 3,8% исходной емкости. Для сравнения, аккумуляторы, которым не давали разряжаться слишком сильно, сохраняли более 73% емкости даже после 300 циклов.

Какие батареи изнашиваются при разрядке

Важно понимать, что это исследование не универсальный диагноз для абсолютно всей техники. Уязвимость касается в первую очередь батарей с высоким содержанием никеля. Именно они чаще всего встречаются в мощных смартфонах, ноутбуках и электромобилях.

В то же время, литий-железо-фосфатные (LFP) батареи, которые сегодня занимают больше половины рынка электромобилей, устроены совершенно иначе и находятся под меньшим риском износа.

Как продлить срок службы батареи смартфона

Решение проблемы, предложенное учеными, обезоруживающе простое: нужно повысить пороговое напряжение отключения. То есть устройство должно думать, что оно разрядилось, еще до того, как напряжение упадет до критических 3,0 вольт. Производители могут внедрить это на уровне программного обеспечения.

Пока корпорации не изменили заводские алгоритмы, вы можете защитить свою технику самостоятельно. Соблюдая эти правила, вы значительно продлите срок службы аккумулятора без похода в сервисный центр:

• Старайтесь подключать зарядное устройство, когда уровень батареи опускается до 20–30%, не дожидаясь полного выключения;
• Если в вашем электромобиле или смартфоне есть опция ограничения глубины разряда, обязательно включите ее;
• Избегайте ситуаций, при которых устройство неделями лежит полностью разряженным в шкафу.

Это исследование доказывает, что для заметного улучшения техники не всегда нужны новые экзотические материалы или инвестиции в миллиарды долларов. Иногда нужно просто лучше понимать, как батареи разрушаются в реальном мире.