Механика процесса: почему скорость имеет значение?

Сегодня технологии быстрой зарядки стали привычным явлением: смартфоны восстанавливают половину энергии за 30 минут, а электромобили за короткую остановку добавляют сотни километров запаса хода. Однако литий-ионные аккумуляторы, которые являются самым распространенным типом батарей в мире, имеют сложную внутреннюю конструкцию и химический состав, из-за чего не все может быть так хорошо, как кажется на первый взгляд. 24 Канал разбирался в этом вопросе.

Принцип их работы основан на перемещении ионов лития между двумя электродами – катодом и анодом. Во время зарядки эти ионы перемещаются через электролит и накапливаются в аноде, где хранятся до момента использования устройства. Ключевое различие между обычным и быстрым методом заключается именно в интенсивности этого движения.

Обычная зарядка подает меньший ток, что позволяет ионам лития постепенно интеркалироваться [перемещаться в микроскопические отверстия] в анод, что выделяет мало тепла и вызывает минимальную механическую нагрузку,
– прокомментировал доцент кафедры химической инженерии и технологии Сианьского университета Цзяотун в Китае Чжиюань Цзян.

Ученые подтверждают, что быстрая зарядка действительно способна ускорить деградацию аккумулятора, хотя ситуация не является однозначно критической. Современные батареи изначально разрабатываются с учетом высоких нагрузок: производители используют специализированные материалы для электродов или делают их тоньше, чтобы ионы двигались легче. Также инженеры перерабатывают внутреннюю архитектуру батареи, чтобы уменьшить сопротивление и накопление избыточного тепла.

Топливо

Чем рискует пользователь при использовании мощных адаптеров питания?

Несмотря на усилия инженеров, высокая скорость передачи энергии провоцирует определенные химические процессы, ускоряющие старение элементов питания. Одной из главных проблем является так называемое "литиевое хромирование". При слишком быстром движении ионы лития просто не успевают правильно осесть внутри анода. Вместо этого они накапливаются на поверхности электрода в виде металлических отложений. Это уменьшает количество свободного лития, доступного для хранения энергии, что напрямую снижает общую емкость батареи. В худших случаях эти отложения образуют игольчатые структуры – дендриты, которые могут пробить внутренние компоненты, создавая угрозу безопасности.

Еще одним критическим фактором является тепло, которое является естественным побочным продуктом электрического сопротивления в аккумуляторе. Чем быстрее заряжается устройство, тем больше тепловой энергии оно вырабатывает.

"Мы можем представить зарядку аккумулятора как перевозку людей по дорогам, перекресткам и зданиям", – говорит исследователь аккумуляторов из Оксфордского университета Станислав Заньковски. Он пояснил, что главный вопрос заключается в том, насколько эффективно можно переместить весь этот "трафик" без образования пробок.

Высокие температуры становятся катализатором химических реакций, которые постепенно разрушают материалы аккумулятора. В экстремальных условиях перегрев приводит к вздутию батареи или даже ее возгоранию, что ученые называют термическим разгоном. К счастью, большинство современных устройств оснащены сложными системами управления батареей (BMS). Они постоянно контролируют напряжение, силу тока и температуру. Именно поэтому смартфон может выдать предупреждение о перегреве, если он лежит на солнце, и автоматически замедлить процесс зарядки для защиты компонентов.

Как продлить срок службы аккумулятора: советы экспертов

Исследователи отмечают, что контроль температуры является ключевым фактором долговечности гаджета. Крайне важно избегать зарядки устройств в жарких местах, например, в салоне автомобиля под прямыми солнечными лучами. Не менее вреден и сильный холод, поскольку низкие температуры мешают ионам лития свободно перемещаться внутри батареи.

Идеальным температурным диапазоном для восстановления энергии считается 20–25 градусов Цельсия. Станислав Заньковски сравнивает это с комфортными условиями для человека. Кроме того, специалисты советуют не держать ноутбуки или смартфоны постоянно подключенными к сети, поскольку это негативно влияет на химическую стабильность элементов.

Вместо полной зарядки до 100 процентов лучше придерживаться правила "неглубокого заряда и разряда". Эксперты рекомендуют поддерживать уровень заряда в пределах от 20 до 80 процентов при ежедневном использовании. Такой подход позволяет существенно снизить нагрузку на аккумулятор и отсрочить момент, когда его емкость начнет заметно снижаться. Это особенно важно для устройств, поддерживающих сверхбыструю зарядку, где каждый цикл на максимальной мощности имеет значение.