Wieczorem podłączamy telefon do ładowarki, a rano chcemy zobaczyć na ekranie 100 proc. Tymczasem zespół naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego i Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej pokazał, co dzieje się wewnątrz akumulatora, gdy próbujemy wycisnąć z niego jak najwięcej energii. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „Small Structures” (DOI 10.1002/sstr.70589). Krótko: im głębiej pracuje ogniwo, tym większe ryzyko trwałych uszkodzeń materiału dodatniej elektrody.
Co dokładnie zbadali warszawscy naukowcy
Badacze przyjrzeli się materiałowi oznaczanemu jako NMC622, czyli tlenkowi litu, niklu, manganu i kobaltu. To jeden z popularnych materiałów katody, czyli dodatniej elektrody akumulatora litowo-jonowego. Katoda i anoda to dwie elektrody, pomiędzy którymi w czasie ładowania i rozładowywania przemieszczają się jony litu — naładowane elektrycznie atomy litu, które przenoszą energię z jednej strony ogniwa na drugą.
Akumulator litowo-jonowy nie jest zwykłym pojemnikiem, odpowiednikiem baku na paliwo, który da się bez konsekwencji zalać do pełna. To układ chemiczny, w którym podczas pracy zachodzą zmiany na poziomie atomowym. Gdy podłączamy telefon do ładowarki, jony litu opuszczają katodę i wędrują w stronę drugiej elektrody. Po odłączeniu i rozpoczęciu korzystania z urządzenia proces biegnie w przeciwną stronę.
W badanym NMC622 jony litu zajmują miejsca między warstwami zbudowanymi z atomów pozostałych metali i tlenu. Kiedy lit opuszcza katodę, odległości między tymi warstwami się zmieniają. Im mocniej ładujemy ogniwo, tym więcej litu da się z katody wyciągnąć — i tym mocniej jej struktura musi się odkształcić. Jeśli lokalne naprężenia stają się zbyt duże, pojawiają się uszkodzenia.
Metoda była prosta w założeniu, ale pracochłonna. Naukowcy przygotowali laboratoryjne ogniwa, zatrzymywali je na wybranych etapach pracy, a następnie rozbierali i analizowali elektrody kilkoma technikami jednocześnie. Światło rozproszone przez materiał pozwalało obserwować lokalne zmiany struktury, promieniowanie rentgenowskie dostarczało informacji o rozmieszczeniu atomów, a mikroskopy elektronowe umożliwiały bezpośrednie oglądanie uszkodzeń. Według PAP taki zestaw pokazał rzecz, której nie widać na wskaźniku baterii: poszczególne fragmenty katody nie ładowały się równomiernie. Różne obszary materiału mogą znajdować się w nieco innym stanie i reagować na zmiany inaczej.
Po 50 cyklach: pęknięcia na granicach ziaren, potem głębiej
Najciekawsze okazało się porównanie ogniw po 50 cyklach pracy przy różnych górnych potencjałach katody, czyli przy różnym „docisku” napięcia na końcu ładowania. Przy górnym potencjale 4,3 V pęknięcia pojawiały się głównie na granicach ziaren — w miejscach, gdzie stykają się ze sobą poszczególne kryształy materiału. Przy 4,7 V uszkodzenia przecinały już także wnętrza tych ziaren.
W trakcie mocnego końcowego doładowania warstwy kryształu przesuwały się, obracały i wyginały. Część zmian w układzie atomów cofała się po powrocie litu do katody, ale trwałe pęknięcia zostawały w materiale na stałe i mogły utrudniać dalszą pracę elektrody. To ważna różnica: nie każda zmiana w strukturze jest uszkodzeniem, ale mechaniczne pęknięcie już się nie „zrasta”.
Dlaczego 4,7 V to nie to samo co 100 proc. na ekranie
Tu potrzebne jest zastrzeżenie, które sami autorzy postawili wyraźnie. Tych wartości napięcia nie da się bezpośrednio przełożyć na procenty, które widzimy w telefonie. Badanie dotyczyło konkretnego materiału katody, a pomiary prowadzono względem elektrody litowej, a nie wobec pełnego ogniwa w smartfonie. Nie ma więc w tej pracy tabelki „tyle procent to tyle woltów”.
Praca nie wyznacza też jednego uniwersalnego przepisu na maksymalne wydłużenie życia każdego akumulatora. Na kondycję ogniwa wpływa wiele czynników naraz: liczba cykli ładowania, temperatura, skład chemiczny elektrod i sposób, w jaki oprogramowanie steruje samym ładowaniem. Badacze skupili się na zmianach strukturalnych katody przy głębokim ładowaniu — i to one tłumaczą, dlaczego korzystanie z całej dostępnej pojemności przy każdym ładowaniu nie musi być najlepszą strategią. Dodatkowa energia dostępna tu i teraz może oznaczać szybsze zużywanie się materiału, który tę energię magazynuje.
Limit ładowania i ładowanie adaptacyjne — kiedy warto z nich korzystać
Coraz więcej telefonów proponuje ograniczenie ładowania do 80 proc. albo opóźnia osiągnięcie pełnej baterii do momentu, w którym zwykle odłączamy urządzenie od zasilania. To nie oznacza, że naładowanie do 100 proc. jest błędem ani że po przekroczeniu jakiegoś poziomu akumulator natychmiast zaczyna się niszczyć. Chodzi o skrócenie czasu, który ogniwo spędza w stanie wysokiego naładowania.
- Limit ładowania — ma sens, jeśli 80 proc. wystarcza nam od rana do wieczora. Prosty rachunek: przy dziennym zużyciu około 60 proc. pojemności, startując ze 100 proc. zostaje wieczorem około 40 proc., a startując z 80 proc. — około 20 proc. W obu przypadkach telefon dowozi nas do końca dnia, ale w drugim scenariuszu nie korzystamy z maksymalnej pojemności.
- Ładowanie adaptacyjne lub zoptymalizowane — urządzenie uczy się typowych godzin ładowania, zatrzymuje proces na niższym poziomie i uzupełnia brakującą energię dopiero tuż przed zwyczajowym odłączeniem od zasilania. Dzięki temu bateria krócej pozostaje pełna, zamiast osiągnąć 100 proc. krótko po wieczornym podłączeniu i utrzymywać ten poziom przez wiele godzin.
Jeśli natomiast czeka nas długa podróż, dzień intensywnej pracy albo wielogodzinna nawigacja, pełne naładowanie jest jak najbardziej uzasadnione. Nie ma potrzeby traktowania wskaźnika baterii jak pola minowego — ważniejsze od pilnowania każdej wartości jest wypracowanie nawyku, który odpowiada naszym potrzebom i nie obciąża ogniwa bez powodu.
Temperatura i pojemność ogniwa też mają znaczenie
Badanie nie porównywało szybkich i wolnych ładowarek, więc nie rozstrzyga tego sporu. Przy wyborze sposobu ładowania warto jednak brać pod uwagę temperaturę, bo należy ona do czynników wpływających na starzenie akumulatora. Jeśli szybkie ładowanie albo podstawka indukcyjna wyraźnie mocniej nagrzewa telefon niż zwykły kabel, wolniejszy tryb lub ładowanie przewodowe może lepiej służyć trwałości baterii.
Pojemniejsze ogniwo też pomaga, choć samo niczego nie rozwiązuje. Większa bateria daje większy zapas energii, więc przy takim samym dziennym zużyciu łatwiej ograniczyć zakres ładowania i nadal dotrwać do wieczora. Liczą się jednak również materiał elektrod, konstrukcja ogniwa, temperatura pracy i oprogramowanie kontrolujące ładowanie.
Wartość badania z UW i Politechniki Warszawskiej polega na tym, że pokazuje fizyczne podłoże całej sprawy. Katoda nie jest nieruchomym elementem, lecz strukturą, która reaguje na każdy przepływ jonów litu — a gdy próbujemy wydobyć z niej więcej energii, część powstałych uszkodzeń zostaje w materiale nawet po kolejnym rozładowaniu.