Polscy naukowcy wyjaśniają, dlaczego pełne ładowanie szkodzi baterii

Perspektywa pełnego naładowania telefonu kusi wygodą, lecz jak pokazują nowe badania, taki komfort bywa okupiony kondycją akumulatora. Grupa badawcza z Warszawy prześledziła, jak zachowuje się materiał wnętrza ogniwa, kiedy staramy się maksymalnie wykorzystać jego pojemność. Rezultaty rzucają światło na to, czemu warto rozważyć trzymanie baterii na poziomie 80 proc. zamiast dobijania do pełna.

Standardowy scenariusz wygląda tak: ładowarka podłączona na noc, a rano satysfakcja z widoku 100 proc. na wyświetlaczu. Jednocześnie coraz więcej producentów telefonów wprowadza opcję zatrzymania ładowania na 80 proc. albo rozkłada moment osiągnięcia pełnej pojemności na później, bliżej godziny, w której zwykle odpinamy kabel. Odpowiedzialność za takie rozwiązania ponosi chemia zachodząca w ogniwie litowo-jonowym.

Naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego wspólnie z zespołem Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej zbadali wpływ głębokiego ładowania na strukturę materiału elektrodowego. Publikację z wynikami zamieszczono w czasopiśmie Small Structures, pod identyfikatorem DOI 10.1002/sstr.70589.

Przedmiotem analizy był materiał NMC622 - związek litu, niklu, manganu i kobaltu, z którego budowane są katody w ogniwach litowo-jonowych. To jedna z dwóch elektrod, między którymi wędrują jony litu w trakcie ładowania i rozładowania. Doświadczenie wykazało, że usuwanie z katody rosnącej ilości litu prowadzi do deformacji struktury, a w skrajnych przypadkach do jej pękania. To istotna poszlaka tłumacząca związek między sposobem ładowania a trwałością baterii.

Co dzieje się z baterią, gdy ładujemy ją do 100 proc.?

Ogniwo litowo-jonowe nie działa jak zbiornik paliwa w aucie, który po prostu napełnia się do granic możliwości. To system chemiczny, w którym jony litu nieustannie się przemieszczają, a elektrody przechodzą zmiany w skali atomowej.

Podczas podłączenia telefonu do źródła zasilania jony litu wędrują z katody w stronę anody. Gdy kabel zostaje odpięty i zaczynamy korzystać z urządzenia, kierunek tego ruchu się odwraca. To właśnie dzięki przemieszczaniu jonów możliwe jest magazynowanie energii oraz jej późniejsze zużycie przez ekran, procesor, aparat i moduły łączności.

W materiale NMC622 jony litu znajdują miejsce pomiędzy warstwami złożonymi z atomów metali i tlenu. Opuszczenie katody przez lit powoduje zmianę odległości dzielących te warstwy.

Im głębiej naładujemy akumulator, tym większa ilość litu zostaje wyprowadzona z katody. Materiał musi wtedy znosić coraz silniejsze zmiany swojej budowy. Gdy lokalne naprężenia przekraczają pewien próg, dochodzi do uszkodzeń.

Naukowcy zobaczyli pęknięcia wewnątrz materiału katody

Żeby prześledzić przemiany materiału, badacze zbudowali laboratoryjne ogniwa i zatrzymywali ich pracę na określonych etapach. Potem demontowali je i poddawali elektrody analizie przy pomocy kilku różnych technik pomiarowych.

Rozproszone światło umożliwiło dostrzeżenie miejscowych zmian w strukturze. Promieniowanie rentgenowskie dawało wgląd w rozmieszczenie atomów, a mikroskopia elektronowa pozwalała zaobserwować uszkodzenia bezpośrednio. Połączenie tych metod dało naukowcom możliwość śledzenia procesów niewidocznych gołym okiem i niemożliwych do wychwycenia na podstawie samego wskaźnika naładowania na ekranie telefonu.

Okazało się, że proces ładowania katody nie przebiega jednorodnie w całej jej objętości. Poszczególne obszary materiału mogą znajdować się w różnych stanach i odmiennie reagować na zachodzące zmiany. Podczas głębokiego ładowania warstwy struktury krystalicznej przesuwały się, obracały i wyginały, co generowało naprężenia prowadzące w pewnych przypadkach do pęknięć.

Za szczególnie istotne uznano porównanie rezultatów po 50 cyklach pracy ogniwa, przeprowadzone przy różnych wartościach górnego potencjału katody.

Dlaczego bateria z czasem działa coraz krócej?

Wielu użytkowników po roku czy dwóch użytkowania zauważa, że telefon rozładowuje się szybciej niż w momencie zakupu. To typowy efekt starzenia się akumulatora, wynikający zarówno z reakcji chemicznych, jak i mechanicznych przemian zachodzących wewnątrz ogniwa.

Z czasem eksploatacji ogniwa mogą tracić część swojej pierwotnej zdolności do magazynowania energii. Urządzenie, które kiedyś spokojnie wytrzymywało cały dzień, zaczyna wymagać doładowania już popołudniu.

Stan baterii zależy od wielu zmiennych jednocześnie - liczby cykli ładowania, temperatury pracy, składu chemicznego elektrod oraz logiki sterującej procesem ładowania. Warszawski zespół skoncentrował się na zmianach struktury katody i efektach głębokiego ładowania, nie formułując przy tym jednej uniwersalnej recepty na maksymalne wydłużenie żywotności każdego akumulatora.

Wyniki badania wyjaśniają natomiast, dlaczego korzystanie z pełnej dostępnej pojemności przy każdym ładowaniu nie zawsze jest najkorzystniejszym rozwiązaniem. W określonych warunkach dodatkowa porcja energii dostępna od razu może oznaczać przyspieszone zużycie materiału odpowiedzialnego za jej przechowywanie.

Czy warto ograniczyć ładowanie telefonu do 80 proc.?

Jeżeli smartfon umożliwia ustawienie limitu ładowania na poziomie 80 proc., warto skorzystać z tej opcji. Nie znaczy to, że doładowanie do pełna jest błędem lub że po przekroczeniu pewnego progu ogniwo od razu ulega degradacji. Chodzi raczej o skrócenie czasu, jaki bateria spędza w stanie wysokiego naładowania, i zmniejszenie codziennego obciążenia ogniwa.

Przyjmijmy, że telefon zużywa w ciągu dnia mniej więcej 60 proc. swojej pojemności. Odłączenie od ładowarki rano przy 100 proc. oznacza, że wieczorem teoretycznie zostanie około 40 proc. energii. Przy ustawionym limicie 80 proc. pozostanie wtedy jedynie około 20 proc. W obu wariantach telefonu wystarczy na cały dzień, jednak w drugim przypadku nie sięgamy po maksymalną pojemność ogniwa.

Rzeczywiste tempo zużycia energii zależy oczywiście od jasności ekranu, jakości zasięgu sieci, aktywnych aplikacji, temperatury otoczenia i wielu innych okoliczności. Przykład pokazuje jednak, że pełne naładowanie nie zawsze jest konieczne do wygodnego korzystania z telefonu.

Jeśli 80 proc. pojemności starcza od rana do wieczora, pozostawienie niewykorzystanej reszty można uznać za rozsądny kompromis. Kiedy jednak czeka nas długa podróż, intensywny dzień pracy albo wielogodzinna nawigacja, pełne naładowanie jest w pełni uzasadnione.

Nie trzeba traktować wskaźnika naładowania jak pola minowego. Istotniejsze od drobiazgowego pilnowania każdego procenta jest wypracowanie nawyku ładowania dopasowanego do własnych potrzeb, który jednocześnie ogranicza zbędne obciążanie akumulatora.

Niektóre smartfony oferują też tryb ładowania adaptacyjnego lub zoptymalizowanego. Wówczas urządzenie rozpoznaje typowe godziny podłączania do zasilania i może zatrzymać proces na niższym poziomie, uzupełniając brakującą energię dopiero tuż przed momentem, w którym zwykle odpinamy kabel.

Skąd korzyść z takiego podejścia? Akumulator spędza mniej czasu w stanie pełnego naładowania, zamiast osiągnąć 100 proc. wkrótce po podłączeniu wieczorem i utrzymywać ten poziom przez wiele godzin bez przerwy.

Większa bateria to nie wszystko

Pojemniejszy akumulator ułatwia zadbanie o jego kondycję. Przy większym zapasie energii i tym samym dziennym zużyciu łatwiej jest ograniczyć zakres ładowania, a jednocześnie nadal bez problemu dotrwać ze smartfonem do wieczora.

Znaczenie mają także materiał elektrod, konstrukcja ogniwa, warunki temperaturowe pracy oraz oprogramowanie nadzorujące proces ładowania. Sama wielkość pojemności nie rozwiązuje wszystkich kwestii związanych ze starzeniem się baterii.

Praca zespołu z Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej pomaga lepiej zrozumieć fizyczne mechanizmy stojące za tymi procesami. Dowodzi, że katoda nie jest statycznym elementem konstrukcji, lecz strukturą reagującą na ruch jonów litu. Próba wydobycia z niej większej ilości energii zwiększa naprężenia wewnętrzne, a część powstałych w ten sposób uszkodzeń może utrzymać się nawet po kolejnym rozładowaniu ogniwa.