Wieczorem podłączamy telefon, rano oczekujemy pełnej baterii. Dlaczego więc urządzenie proponuje zakończenie ładowania na 80 procentach? Wybierając taki limit, rezygnujemy z części energii dostępnej dzisiaj, żeby akumulator dłużej zachował sprawność.

Fizycznemu podłożu tego kompromisu przyjrzał się zespół z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego i Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej. W pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Small Structures” (doi: 10.1002/sstr.70589) badano NMC622 — tlenek zawierający lit, nikiel, mangan i kobalt, stosowany w dodatniej elektrodzie akumulatorów, nazywanej katodą. 

Podczas ładowania jony litu opuszczają katodę i przemieszczają się ku drugiej elektrodzie. Przy rozładowaniu wracają. W badanym materiale zajmują przestrzenie pomiędzy warstwami zbudowanymi z pozostałych metali i tlenu. Ich wyjmowanie i wkładanie zmienia odległości między warstwami. Im głębiej naładujemy ogniwo, tym więcej litu usuniemy z katody i tym silniej może odkształcić się jej struktura.

Badacze zatrzymywali laboratoryjne ogniwa na wybranych etapach pracy, rozbierali je i oglądali elektrody kilkoma metodami. Światło rozproszone przez materiał dostarczało informacji o lokalnych zmianach struktury, promieniowanie rentgenowskie - o układzie atomów, a mikroskopy elektronowe pokazywały uszkodzenia. Powstał obraz katody, której poszczególne fragmenty ładowały się nierównomiernie.

Podczas głębokiego ładowania warstwy kryształu przesuwały się, obracały i wyginały. Po 50 cyklach przy górnym potencjale katody 4,3 V pęknięcia występowały przede wszystkim na granicach ziaren. Przy 4,7 V przecinały już także ich wnętrza. Część zmian układu atomów cofała się po powrocie litu, ale trwałe pęknięcia mogły utrudniać dalszą pracę materiału. Tych napięć nie da się bezpośrednio przeliczyć na procenty wyświetlane przez telefon. Mierzono je względem elektrody litowej, a badanie dotyczyło konkretnego materiału katody. Wyniki pokazują jednak, dlaczego próba wydobycia z akumulatora coraz większej pojemności może skracać jego trwałość.

W codziennym użytkowaniu odpowiada temu wybór górnego poziomu naładowania. Jeśli telefon naładowany do 80 procent wystarcza na cały dzień, limit może pomóc zachować kondycję baterii. Gdy potrzebujemy pełnej pojemności, przydatne jest ładowanie adaptacyjne: urządzenie osiąga 100 procent dopiero przed spodziewanym odłączeniem, skracając czas spędzony w pełni naładowanym stanie. Takie rozwiązania proponują producenci telefonów. Badana praca pomaga wyjaśnić mechanizm uszkodzeń, ale sama nie wyznacza uniwersalnego progu bezpiecznego poziomu naładowania akumulatora.

Badacze sprawdzali przede wszystkim stopień naładowania i przebieg końcowej fazy ładowania. Porównanie szybkich i wolnych ładowarek pozostało poza zakresem ich pracy. W praktyce przy wyborze szybkości ładowania (czyli mocy ładowarki) trzeba uwzględnić także temperaturę, której wpływ na zużycie baterii podkreślają producenci. Jeśli szybkie ładowanie mocno nagrzewa telefon, a mamy czas, warto skorzystać z wolniejszego trybu. Podobnie jest z wyborem między kablem a indukcją. Jeśli na podstawce indukcyjnej urządzenie robi się wyraźnie cieplejsze niż przy ładowaniu przewodowym, kabel może być korzystniejszym wyborem dla trwałości baterii. Znaczenie ma nagrzewanie konkretnego telefonu w konkretnych warunkach. 

Większa bateria daje natomiast zapas. Przy tym samym dziennym zużyciu energii łatwiej ograniczyć jej ładowanie i nadal dotrwać do wieczora. Sama pojemność nie gwarantuje większej trwałości — znaczenie mają też materiał ogniwa, temperatura i sterowanie ładowaniem. Przed podróżą możemy potrzebować pełnej pojemności. W zwykły dzień pozostawienie części zapasu niewykorzystanej może być rozsądną ceną za dłuższą sprawność akumulatora. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ zan/