Механіка процесу: чому швидкість має значення?

Сьогодні технології швидкої зарядки стали звичним явищем: смартфони відновлюють половину енергії за 30 хвилин, а електрокари за коротку зупинку додають сотні кілометрів запасу ходу. Проте літій-іонні акумулятори, які є найпоширенішим типом батарей у світі, мають складну внутрішню конструкцію та хімію, через які не все може бути так добре, як здається на перший погляд. 24 Канал розбирався в цьому питанні.

Принцип їхньої роботи базується на переміщенні іонів літію між двома електродами – катодом і анодом. Під час заряджання ці іони подорожують крізь електроліт і накопичуються в аноді, де зберігаються до моменту використання пристрою. Ключова різниця між звичайним та швидким методом полягає саме в інтенсивності цього руху.

Звичайна зарядка подає менший струм, що дозволяє іонам літію поступово інтеркалювати [переміщуватися в мікроскопічні отвори] в анод, що виділяє мало тепла і викликає мінімальне механічне навантаження,
– прокоментував доцент кафедри хімічної інженерії та технології Сіаньського університету Цзяотун у Китаї Чжиюань Цзян.

Науковці підтверджують, що швидка зарядка дійсно здатна прискорити деградацію акумулятора, хоча ситуація не є однозначно критичною. Сучасні батареї від початку розробляють із урахуванням високих навантажень: виробники використовують спеціалізовані матеріали для електродів або роблять їх тоншими, щоб іони рухалися легше. Також інженери переробляють внутрішню архітектуру батареї, щоб зменшити опір і накопичення надлишкового тепла.

Пальне

Чим ризикує користувач під час використання потужних адаптерів живлення?

Попри зусилля інженерів, висока швидкість передачі енергії провокує певні хімічні процеси, що прискорюють старіння елементів живлення. Однією з головних проблем є так зване "літієве хромування". Під час надто швидкого руху іони літію просто не встигають правильно осісти всередині анода. Замість цього вони накопичуються на поверхні електрода у вигляді металевих відкладень. Це зменшує кількість вільного літію, доступного для зберігання енергії, що безпосередньо знижує загальну ємність батареї. У найгірших випадках ці відкладення формують голчасті структури – дендрити, які можуть пробити внутрішні компоненти, створюючи загрозу безпеці.

Іншим критичним фактором є тепло, яке є природним побічним продуктом електричного опору в акумуляторі. Чим швидше заряджається пристрій, тим більше теплової енергії він виробляє.

"Ми можемо думати про зарядку акумулятора як про транспортування людей дорогами, перехрестями та будівлями", – каже дослідник акумуляторів з Оксфордського університету Станіслав Заньковскі. Він пояснив, що головне питання полягає в тому, наскільки ефективно можна перемістити весь цей "трафік" без створення заторів.

Високі температури стають каталізатором хімічних реакцій, які поступово руйнують матеріали акумулятора. В екстремальних умовах перегрів призводить до здуття батареї або навіть її займання, що науковці називають термічним розгоном. На щастя, більшість сучасних девайсів мають складні системи керування батареєю (BMS). Вони постійно контролюють напругу, силу струму та температуру. Саме тому смартфон може видати попередження про перегрів, якщо він лежить на сонці, і автоматично сповільнити процес заряджання для захисту компонентів.

Як подовжити життя акумулятора: поради експертів

Дослідники наголошують, що контроль температури є ключовим фактором довголіття гаджета. Вкрай важливо уникати заряджання пристроїв у спекотних місцях, наприклад, у салоні автомобіля під прямими сонячними променями. Так само шкідливим є і сильний холод, оскільки низькі температури заважають іонам літію вільно рухатися всередині батареї.

Ідеальним температурним діапазоном для відновлення енергії вважають 20 – 25 градусів Цельсія. Станіслав Заньковскі порівнює це з комфортними умовами для людини. Крім того, фахівці радять не тримати ноутбуки чи смартфони постійно підключеними до мережі, оскільки це негативно впливає на хімічну стабільність елементів.

Замість повної зарядки до 100 відсотків краще дотримуватися правила "неглибокого заряду та розряду". Експерти рекомендують підтримувати рівень енергії в межах від 20 до 80 відсотків для щоденного використання. Такий підхід дозволяє суттєво зменшити стрес для акумулятора та відтермінувати момент, коли його ємність почне помітно знижуватися. Це особливо важливо для пристроїв, які підтримують надшвидкісну зарядку, де кожен цикл на максимальній потужності має значення.