Как правильно заряжать аккумулятор? Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

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 (ФИОП) 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.

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.

Почему телефоны разряжаются на холоде? Если клеммы аккумулятора разомкнуты, то есть если ток не протекает, и мы будем охлаждать устройство в разумных пределах (до -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.