Як роблять акумулятори? Чому телефони розряджаються на холоді? Чи шкодить акумуляторам швидка зарядка? Це не просто обивательські питання, а ціла область наукових досліджень. Розповідаємо про останні відкриття і перспективні досягнення науки про матеріали.

У гаджетах, якими ми користуємося, встановлені літійіонні акумулятори, які в своєму вихідному для користувача стані насправді пройшли вже кілька циклів заряду-розряду на заводі. Як правило, параметри цих циклів, а саме струм, температура і так далі, — великий секрет всіх виробників. Добрий аккумулятор Prestigio PSP3471 на сайті mobistyle.com.ua.

Перші цикли заряду-розряду зібраного акумулятора зазвичай супроводжуються помітними втратами ємності. У специфікаціях акумулятора виробник повідомляє циклічний ресурс — кількість циклів до втрати 80% початкової ємності. Як правило, така величина вище 500 циклів, а іноді вище 1000 циклів. Це не означає, що акумулятор не можна використовувати далі. Більш того, зараз активно розвивається напрямок battery second life-друге життя акумуляторів. Мається на увазі, що акумулятори, які вже не дуже гарні для вимогливих до питомої енергії додатків, можуть бути використані в інших областях, де вимоги до питомої енергії не настільки суворі.

Бувають акумулятори, ємність яких знижується рівномірно від циклу до циклу. Іноді реалізується інша ситуація: в ході великого числа циклів ємність залишається майже на постійному рівні, а потім різко падає. Але це, як правило, говорить про те, що відбувається якийсь незворотний процес, всередині акумулятора накопичуються побічні продукти, які в якийсь момент блокують перенесення іонів, не дають їм рухатися.

Зазвичай всіх цікавить, як правильно заряджати мобільні пристрої: розряджати до кінця, а потім заряджати або, навпаки, намагатися не розряджати повністю? Питання стало особливо актуальним, коли з'явилися літійіонні акумулятори, тому що попереднє покоління систем, скажімо нікель-металогідридні акумулятори, мало так званий ефект пам'яті. Їх треба було розрядити до кінця, потім повністю зарядити, і в такому випадку вони жили довше. Якщо їх розряджати наполовину, вони «запам'ятовували» це, і їх ємність швидко скорочувалася до половини. Хоча цей ефект був відомий дуже давно, вичерпні відповіді про фізико-хімічні механізми даного явища з'явилися тільки в публікаціях 2000-х років. Примітно, що були навіть запропоновані алгоритми пожвавлення таких акумуляторів шляхом проведення певних маніпуляцій з швидким розрядом-зарядом.

У літійіонних акумуляторах такого ефекту в принципі немає. Глибокий розряд акумуляторів може досить згубно позначатися на їх роботі з тієї причини, що при повному і неконтрольованому розряді ми практично вирівнюємо потенціал електродів і, якщо є якийсь дисбаланс кількості літію, можемо навіть осадити металевий літій на позитивному електроді. Це призведе до його реакції з електролітом і сформує плівку небажаних продуктів, яка дуже потрібна на негативному електроді, але не потрібна на позитивному. Ще більш серйозною проблемою може виявитися перезаряд — порушення умов заряду, зайвий заряд. В даному випадку метал може осісти на негативному електроді, пошкодивши існуючу захисну плівку і привівши до формування нової. При цьому весь метал вступить в реакцію і загубиться для подальшої роботи акумулятора. Крім того, реакції електроліту на негативному електроді можуть привести до утворення пального газу всередині акумулятора, через що акумулятори іноді «здуваються».

Це ж стосується і зарядки дуже високими струмами. Незважаючи на те, що сьогодні багато виробники рекламують швидку зарядку, за таким процесом треба дуже акуратно стежити. Загальна порада-не прагнути зарядити пристрій дуже швидко. Звичайно, виробники прикладають досить серйозні зусилля в дослідженнях того, що відбувається з акумулятором при швидкій зарядці, однак вона все ще не завжди позитивно позначається на роботі акумулятора. Можна використовувати блоки живлення, які розраховані не на півтора ампера, а менше. Або, наприклад, не використовувати блоки живлення від планшетів для зарядки телефону.

Крім того, не потрібно в жодному разі швидко заряджати холодний акумулятор, тому що і в захисній плівці на негативному електроді, і в самому негативному електроді при низькій температурі іони літію рухаються повільніше. Якщо іони літію не встигає рівномірно розподілитися по кристалу графіту, є основним матеріалом для негативного електрода, вони скупчуються біля поверхні, такі відповідні іони літію вже не можуть потрапити в структуру. Замість цього починається процес електроосадження. Осідає металевий літій, який може привести до короткого замикання при поганому розкладі. Але в будь-якому випадку його осадження точно призведе до реакції з електролітом з формуванням додаткової плівки з побічних продуктів і газовиділенням.

Чому телефони розряджаються на холоді? Якщо клеми акумулятора розімкнуті, тобто якщо струм не протікає, і ми будемо охолоджувати пристрій в розумних межах (до мінус 30 °C, наприклад), нічого не станеться. Звичайно, замерзання електроліту краще уникати, але для його замерзання потрібна температура нижче мінус 20-30 °C, що, ймовірно, буває рідко. Важливо розуміти, що сам заряд нікуди з телефону дітися не може — просто зростає внутрішній опір акумулятора. Коли пристрій працює і споживає якийсь струм від акумулятора, то додаткове зростання внутрішній опір викликає падіння напруги. І електроніка, яка визначає ступінь заряду акумулятора по напрузі, вирішує, що він розрядився. Якщо телефон вимкнути, зігріти і включити знову, знову відбудеться завмер напруги, а відсотки на значку батарейки виявляться високими. Питання не в тому, що телефон сідає на холоді, а в тому, за яким алгоритмом визначається ступінь заряду.