Как делают аккумуляторы? Почему телефоны разряжаются на холоде? Вредит ли аккумуляторам быстрая зарядка? Это не просто обывательские вопросы, а целая область научных исследований. В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

 

В гаджетах, которыми мы пользуемся, установлены литийионные аккумуляторы, которые в своем исходном для пользователя состоянии на самом деле прошли уже несколько циклов заряда-разряда на заводе. Как правило, параметры этих циклов, а именно ток, температура и так далее, — большой секрет всех производителей.

 

Первые циклы заряда-разряда собранного аккумулятора обычно сопровождаются заметными потерями емкости. В спецификациях аккумулятора производитель сообщает циклический ресурс — количество циклов до потери 80% от первоначальной емкости. Как правило, такая величина выше 500 циклов, а иногда выше 1000 циклов. Это не значит, что аккумулятор нельзя использовать дальше. Более того, сейчас активно развивается направление battery second life — вторая жизнь аккумуляторов. Подразумевается, что аккумуляторы, которые уже не слишком хороши для требовательных к удельной энергии приложений, могут быть использованы в других областях, где требования к удельной энергии не столь строги.

 

Бывают аккумуляторы, емкость которых снижается равномерно от цикла к циклу. Иногда реализуется другая ситуация: в ходе большого числа циклов емкость остается на почти постоянном уровне, а потом резко падает. Но это, как правило, говорит о том, что происходит некий необратимый процесс, внутри аккумулятора накапливаются побочные продукты, которые в какой-то момент блокируют перенос ионов, не дают им двигаться.

 

Обычно всех интересует, как правильно заряжать мобильные устройства: разряжать до конца, а потом заряжать или, наоборот, стараться не разряжать полностью? Вопрос стал особенно актуален, когда появились литийионные аккумуляторы, потому что предыдущее поколение систем, скажем никель-металлогидридные аккумуляторы, имело так называемый эффект памяти. Их надо было разрядить до конца, потом полностью зарядить, и в таком случае они жили дольше. Если их разряжать наполовину, они «запоминали» это, и их емкость быстро сокращалась до половины. Хотя этот эффект был известен очень давно, исчерпывающие ответы о физико-химических механизмах данного явления появились только в публикациях 2000-х годов. Примечательно, что были даже предложены алгоритмы оживления таких аккумуляторов путем проведения определенных манипуляций с быстрым разрядом-зарядом.

Рекомендуем по этой теме:
12994
Применение сверхпроводников

В литийионных аккумуляторах такого эффекта в принципе нет. Глубокий разряд аккумуляторов может достаточно пагубно сказываться на их работе по той причине, что при полном и неконтролируемом разряде мы практически выравниваем потенциал электродов и, если есть некий дисбаланс количества лития, можем даже осадить металлический литий на положительном электроде. Это приведет к его реакции с электролитом и сформирует пленку нежелательных продуктов, которая очень нужна на отрицательном электроде, но не нужна на положительном. Еще более серьезной проблемой может оказаться перезаряд — нарушение условий заряда, излишний заряд. В данном случае металл может осесть на отрицательном электроде, повредив существующую защитную пленку и приведя к формированию новой. При этом весь металл вступит в реакцию и потеряется для дальнейшей работы аккумулятора. Кроме того, реакции электролита на отрицательном электроде могут привести к образованию горючего газа внутри аккумулятора, из-за чего аккумуляторы иногда «вздуваются».

 

Это же касается и зарядки очень высокими токами. Несмотря на то что сегодня многие производители рекламируют быструю зарядку, за таким процессом надо очень аккуратно следить. Общий совет — не стремиться зарядить устройство очень быстро. Конечно, производители прикладывают достаточно серьезные усилия в исследованиях того, что происходит с аккумулятором при быстрой зарядке, однако она все еще не всегда положительно сказывается на работе аккумулятора. Можно использовать блоки питания, которые рассчитаны не на полтора ампера, а меньше. Или, например, не использовать блоки питания от планшетов для зарядки телефона.

 

Кроме того, не нужно ни в коем случае быстро заряжать холодный аккумулятор, потому что и в защитной пленке на отрицательном электроде, и в самом отрицательном электроде при низкой температуре ионы лития движутся медленнее. Если ионы лития не успевают равномерно распределиться по кристаллу графита, являющегося основным материалом для отрицательного электрода, они скапливаются у поверхности, следующие подходящие ионы лития уже не могут внедриться в структуру. Вместо этого начинается процесс электроосаждения. Оседает металлический литий, который может привести к короткому замыканию при плохом раскладе. Но в любом случае его осаждение точно приведет к реакции с электролитом с формированием дополнительной пленки из побочных продуктов и газовыделением.

 

В конце января 2019 года в Nature Chemistry вышла статья, в которой сообщается, что литий, облаченный в корочку из пассивирующей пленки, на самом деле будет в ней растворяться, отдавать свои электроны токопроводящей подложке. Это приведет к нарастанию пассивирующей пленки, а впоследствии — к деградации. Иными словами, избегая заряда холодных литийионных аккумуляторов и, соответственно, риска образования металлического лития, можно продлить срок их работы.

Рекомендуем по этой теме:
8151
Органические солнечные батареи

Почему телефоны разряжаются на холоде? Если клеммы аккумулятора разомкнуты, то есть если ток не протекает, и мы будем охлаждать устройство в разумных пределах (до минус 30 °C, например), ничего не произойдет. Конечно, замерзания электролита лучше избегать, но для его замерзания требуется температура ниже минус 20–30 °C, что, вероятно, бывает редко. Важно понимать, что сам заряд никуда из телефона деться не может — просто возрастает внутреннее сопротивление аккумулятора. Когда устройство работает и потребляет какой-то ток от аккумулятора, то дополнительное возросшее внутреннее сопротивление вызывает падение напряжения. И электроника, которая определяет степень заряда аккумулятора по напряжению, решает, что он разрядился. Если телефон выключить, согреть и включить опять, снова произойдет замер напряжения, а проценты на значке батарейки окажутся высокими. Вопрос не в том, что телефон садится на холоде, а в том, по какому алгоритму определяется степень заряда.