Мы привыкли постоянно что-то заряжать: смартфон, ноутбук, часы и прочие гаджеты. Но правильно ли мы это делаем?
В сети полно противоречивой информации. Кто-то рекомендует ставить на зарядку смартфоны на ночь, кто-то заражает только до 80%, а кто-то свят-свят вообще заряжается по 5-10 процентов течение дня и хранит аккумуляторы в холодильнике… Один из важных вопросов — вредна ли быстрая зарядка?
Поэтому мы решили разобраться в этой проблеме и подготовили для вас самый подробный разбор про аккумуляторы. Кидаю спойлер: ответ вас не порадует… Мы обещали это видео, вы спрашивали про него в комментах.
Неприятные факты
Для затравочки — три неприятных факта:
Факт номер 1: Если вы сейчас заряжаете ваш смартфон — вы медленно убиваете его аккумулятор, но не торопитесь вынимать зарядку из розетки. Потому, что…
Факт номер 2: Если вы сейчас НЕ заряжаете смартфон, а просто пользуетесь им — вы всё равно медленно убиваете аккумулятор.
И моё любимое.
Факт номер 3: Даже если вы НЕ пользуетесь смартфоном, выключили его и положили в тумбочку — вы также медленно убиваете аккумулятор.
Современные аккумуляторы не идеальны, каждый цикл заряда-разряда неизбежно приводит к необратимым изменениям внутри аккумулятора на физическом уровне, которые со временем неминуемо приведут к уменьшению емкости аккумулятора, и дальнейшему выходу из строя батарейки.
Например, аккумуляторы в современных смартфонах в среднем теряют 20% своей ёмкости спустя 500 полных циклов заряда/разряда, а это где-то 1,5-2 года работы.
Более того процесс деградации нелинейный, он ускоряется со временем. Поэтому последующие 20% своей емкости аккумулятор потеряет куда быстрее.
Но есть и хорошая новость! Мы можем влиять на скорость деградации аккумулятора и увеличить количество рабочих циклов с 500 до 1000 или даже больше. Но чтобы ответить на вопрос: как это сделать? Давайте для начала, разберемся как всё таки устроена эта волшебная баночка с энергией.
Устройство аккумулятора
Все аккумуляторы работают за счёт химической реакции обмена электронов между атомами: одно вещество отдает электрон другому веществу и во время обмена выделяется энергия. Например, такой же обмен происходит, при горении: углерод отдает свои электроны более «жадному» до них кислороду, поэтому выделяется энергия в виде тепла. То есть по большому счёту аккумулятор — это управляемый костёр, да еще и с функцией перезарядки. Вот это, я понимаю, инновация.
Поэтому, не удивительно, что аккумулятор устроен чуть сложнее, чем костёр. Только если это не аккумулятор Galaxy Note 7. Ладно, шуточки в сторону. Так как же устроен аккумулятор?
Во-первых, это не просто какая-то единая баночка с энергией. Аккумулятор состоит из двух так скажем “комнат”:
- анода — комнаты с отрицательным зарядом
- катода — комнаты с положительным зарядом
Эти комнаты не пустые. Внутри анода находится графит, а внутри катода — оксид кобальта. Но самое главное вещество внутри аккумулятора — ионы лития. Ион — это атом или молекула, которая имеет электрический заряд. Именно литий отдаёт свои электроны и питает энергией наши девайсы. Поэтому аккумуляторы и называются литий-ионными.
Но литий дарит нам энергию не потому, что он какой-то альтруист. Это такой скользкий типок, который всё время ищет себе местечко получше. Так когда аккумулятор полностью заряжен литий чилит внутри анода. Там для него подготовлены удобнейшие, в химическом смысле, шестиугольные ячейки атомов графита.
Казалось бы, радуйся жизни, сиди ты внутри анода, но нет… Ведь рядом есть катод наполненный, еще более комфортабельной кристаллической решеткой оксида кобальта. Куда литий уж очень сильно хочет встроиться. Но не может!
Потому что между анодом и катодом есть барьер — жидкий электролит. Электролит пропускает, через себя только положительно заряженные частицы.
Поэтому, чтобы проникнуть сквозь этот барьер, литию для начала нужно куда-то отдать электрон, тогда он сменит заряд на положительный и сможет пройти сквозь электролит.
А именно это нам и надо!
Поэтому, соединив минус и плюс на аккумуляторе в электрическую цепь, электроны начинают отделяться от лития и перемещаться от минуса к плюсу, по пути питая энергией все компоненты девайса. А литий, в свою очередь, проходит через электролит и встраивается в кристаллическую решетку оксида кобальта. Так происходят разрядка аккумулятора.
А заряжая аккумулятор, мы как бы обращаем весь процесс вспять.
Для этого мы прикладываем к плюсу и минусу батарейки электрический ток с напряжением выше, чем у аккумулятора. Электроны начинают течь обратно от катода и заполняют анод электронами. Что буквально вынуждает положительно заряженные ионы лития вернуться обратно.
Всё одновременно и просто, и гениально. Кстати, за изобретение литий-ионного аккумулятора три джентльмена — Джон Гуденаф, Стэнли Уиттенгем и Акира Ёсино в 2019 году были удостоены нобелевской премии.
Факторы, влияющие на износ
Но, как я и говорил, все эти электрохимические реакции не проходят бесследно. Что же там происходит на самом деле?
Во-первых, часть ионов лития, проходя через электролит, тот что посередине, банально там застревают. И образуют некую пленку, которая со временем утолщается. И в конечном итоге станет непроницаемой. Это называется SEI Layer — Solid Electrolyte Interphase.
Также от оксида кобальта постепенно отделяются атомы кислорода, что вызывает окисление. И, кстати, по этой же причине аккумуляторы вздуваются.
Но мы можем минимизировать негативные последствия, управляя двумя факторами. Если эти реакции будут происходить с правильной скоростью и при правильной температуре.
Температура
Начнем с температуры. Во-первых, аккумулятор не любит, когда слишком жарко или холодно.
В режиме эксплуатации еще не всё так плохо. Мы можем пользоваться аккумуляторами и на морозе, вплоть до -20 и в жару до +60. Недолго и только, если аккумулятор дополнительно защищен от экстремальных температур.
Условия эксплуатации:
- Идеально от +5°C до +30°C
- Допустимо* от -20°С до +60°C
* Но защищая элемент от экстремальных или даже просто пограничных (повышенных/пониженных) температур.
Но вот заряжать аккумулятор можно строго при плюсовых температурах, а лучше не ниже +10°C и не выше +45 градусов Цельсия.
Условия зарядки:
- Идеально ~ +20 ⁰C
- Строго от +5°C до +45°C
Почему так строго?
Если говорить про отрицательные температуры, то вы наверняка замечали, что на морозе аккумулятор на время теряет ёмкость или даже полностью отказывается работать.
Это происходит, потому, что при минусовых температурах электрохимические реакции замедляются. При обычной эксплуатации — в этом нет ничего страшного, это никак не портит аккумулятор.
Но во время зарядки при низкий температурах реакции не просто замедляются, а протекают иначе. Большая часть ионов лития вместо того, чтобы проникнуть в графитовый анод, металлизируется и осаждается на поверхности анода. То есть в прямом смысле происходит гальваническая реакция.
Поэтому, даже единичная зарядка аккумулятора на морозе, неизбежно приведет к снижению емкости на десятки процентов и к существенному повышению сопротивления. Более того, заряженный на морозе аккумулятор не является безопасным. Он может взорваться из-за вибрации или просто высокого уровня заряда.
Поэтому, ни в коем случае нельзя заряжать аккумулятор на морозе. А зайдя в теплое помещение, прежде чем ставить телефон на зарядку, подождите немного пока он согреется, хотя бы до +10°C.
А при температуре выше 45°C повышается риск возгорания, потому что ускоряется процесс отделения атомов кислорода от оксида кобальта, что приводит к окислению и вздутию. Иными словами, тоже ничего хорошего.
Поэтому не стоит класть телефон под прямые солнечные лучи, заряжать смартфон в жару выше 30°C и во время напряженных игровых сессий, если вы чувствуете что корпус смартфона нагревается.
Напряжение
Второй важный момент — это напряжение. Вы же помните, что помимо температуры, нам важно контролировать скорость протекания электрохимических реакций?
Так вот по этой причине, аккумуляторы не любят, когда они полностью заряжены и полностью разряжены.
Почему?
Во-первых, когда аккумулятор разряжен напряжение внутри него слишком низкое, если начать вливать в него слишком много энергии из-за перепада напряжения скрость протекания реакции будет слишком высокой и произойдет резкое повышение температуры, а дальше возможно возгорание и взрыв. Это можно сравнить с прорывом плотины.
Поэтому когда ваш телефон разряжен в ноль и вы подключаете его к зарядке, встроенный контроллер какое-то время ограничивает скорость зарядки, чтобы хоть как-то выравнивать напряжение. А уже после этого начинается быстрая зарядка.
Обратная ситуация происходит, когда при полном заряде, по мере наполнения аккумулятора энергией внутри него растет напряжение и соответственно сопротивление. А вместе сопротивлением растет температура. Поэтому, чтобы избежать перегрева по достижению 80% скорость зарядки всегда падает.
Кстати, точно также для аккумулятора вредна быстрая разрядка. То есть если вы играете в какую-то ресурсоемкое игру и телефон греется и разряжается от 100% до 0 за час-полтора. Знайте, такой аккумулятор долго не протянет.
Сравнение схем зарядки
Окей, теперь мы всё знаем про процессы внутри аккумулятора. И можем с вами понять, как именно нужно заряжать смартфон?
- От 0 до 100%
- От 20 до 80%
- Или по чуть-чуть в течение дня.
От 0 до 100
Я думаю, вы уже догадались, что зарядка от от 0 до 100% — не самый лучший вариант. Когда аккумулятор полностью наполнен — это его самое нестабильное состояние. ускоряется износ аккумулятора и повышается риск перегрева. Все это укорачивает жизненный цикл нашей батарейки. Именно поэтому электроавтомобили всегда заряжается только до 80%. Это продлевает срок службы на годы вперед.
Поэтому наша любимая схема эксплуатации смартфонов: разрядил в ноль и заряжаю всю ночь — не самая оптимальная. Более того, когда мы оставляем заряжаться смартфон на ночь, аккумулятор может дополнительно изнашиваться из-за микроциклов зарядки. Это когда ваш смартфон зарядился до 100%, зарядка остановилась. Он немного полежал, заряд упал до 99%, и зарядка снова началась.
Именно поэтому Apple, внедрила в свои устройства так называемую «оптимизированную зарядку». Девайс анализирует, сколько времени обычно он находится на зарядке (например, всю ночь до утра) и прерывает процесс на 80%, чтобы оставшуюся часть времени зарядить аккумулятор до 100% очень медленно. Таким образом исключаются даже те самые мизерные циклы заряда-разряда, которые имеют место в уже заряженном девайсе, остающемся «на шнурке».
Также опасен глубокий разряд. Дело в том, что когда батарея просто лежит она всё равно потихоньку теряет заряд. Поэтому, если устройство выключилось на уровне индикации 0%-1% и длительное время пролежало в таком состоянии без зарядки, аккумулятор может уйти в спячку, из которой не всегда получается вывести батарею.
Поэтому, если вам вас есть запасной телефон или просто много аккумуляторов, перед длительным хранением рекомендуется зарядить их на 30%-50%, и хранить при температуре не выше 25 ⁰C, так заряд будет утекать медленнее всего.
От 20 до 80
Идем дальше схема зарядки от 20 до 80% выглядит куда более привлекательной чем от 0 до 100. Такой режим эксплуатации куда меньше изнашивает аккумулятор и он всем хорош.
Поэтому по возможности заражайте только до 80%, если вам, конечно, будет хватать заряда на день. А следить за зарядкой вам помогут приложения типа AccuBattery, но только на Android. Впрочем и этот подход неидеален.
По чуть-чуть
Но если вы хотите установить мировой рекорд по сроку службы аккумулятор. Лучше всего заряжать батарею заряженной всегда на 50-70%, всё время по чуть чуть заряжая телефон в течение дня. Это продлит срок службы аккумулятора во много раз.
В целом для такой схемы хорошо подходят док-станции с беспроводной зарядкой. В целом удобно, поставил смартфон на подставку и он по чуть-чуть заражается. Но стоит помнить что эффективность современных Qi только 60%, остальная энергия уходит в тепло. Поэтому пользуйтесь такой схемой только если в помещении не жарко и вам наплевать на перерасход энергии. Но еще одна проблема зключается в том, что большинство производителей пытаются заряжать смартфоны быстро.
Быстрая зарядка
Окей. Ну а что с быстрой зарядкой? Она вредна?
К сожалению, да. Вредна. И знаем мы об этом благодаря искусственному интеллекту.
В прошлом году в журнале Nature было опубликовано масштабное исследование, которое провели ученые из Стэнфорда, MIT и исследовательского института Toyota.
Их целью было: найти метод зарядки аккумулятора электромобиля за 10 минут, который бы максимально продлевал срок службы аккумулятора. Чтобы решить задачу ученые создали искусственный интеллект, который проанализировал 224 существующих протокола быстрой зарядки. И в качестве ответа они получили, что все существующие протоколы совершенно не правильные.
Большинство профилей, использует один и тот же постоянный ток до 70–80% степени заряда. И только потом следует пошаговое снижение напряжения до момента полной зарядки. А это нехорошо.
Но есть и хорошая новость. В рамках исследования им быстро удалось создать идеальный профиль, который позволяет зарядить аккумулятор до 80% за 10 минут и продлевает срок жизни аккумулятора с 600-800 циклов до 1200. Профиль состоит из 6 шагов и выглядит вот так, можете изучить:
- ШАГ 1-3. Независимые значения в диапазоне C* в диапазоне 4–8C.
- ШАГ 4. Настроен так, чтобы время зарядки составляло 10 минут для достижения 80% уровня заряда.
- ШАГ 5. 1C постоянным током до 90% заряда.
- ШАГ 6. Поддержание постоянного напряжения на уровне 3,6 В.
*1С — скорость зарядки, при которой аккумулятор полностью заряжается за 1 час. К примеру, 1С для батареи емкостью 1 Ач = 1 А.
Остаётся только дождаться, когда производители внедрят эти профили в смартфоны и зарядные устройства. И тогда пятилетние Android на Авито взлетят в цене. А кто хочет сам изучить исследование, ссылка на статью и исходный код ниже:
Исходный код и алгоритмы обработки данных:
