Аккумулятор в вашем смартфоне: немного о правильной эксплуатации. Деградация аккумулятора


Деградация литий-ионных аккумуляторов - Root Nation

С каждым зарядом литий-ионный аккумулятор изнашивается и теряет свои свойства, из-за чего устройство, в котором он установлен, разряжается быстрее, чем в самом начале эксплуатации сразу после покупки.

Происходит это из-за деградации силовых модулей в аккумуляторе под воздействием постоянных циклов перезарядки. Ученые создали специальное устройство для электронного микроскопа, которое позволяет рассмотреть ячейки литий-ионных аккумуляторов, сделав при этом снимки, демонстрирующие деградацию элемента питания.

На изображении литий, представленный в виде черных «облаков», некоторое время окружает электроды во время каждого цикла, но полностью не исчезает. Частый заряд аккумулятора с каждым разом все больше окружает электрод «облаками» лития и уменьшает объем электрода, что отрицательно сказывается на емкости самого аккумулятора. Если говорить проще, то деградация аккумулятора происходит также, как и распространяется ржавчина на железе, то есть появляется в отдельных зонах, а затем распространяется на всю поверхность.

Пять простых правил, которые помогут «продлить жизнь» аккумулятору

Мир вокруг нас требует быть на связи постоянно. При этом владельцы смартфонов и планшетов часто сталкиваются с проблемой: устройство разряжается в самый неподходящий момент. Что же делать для того, чтобы батарея держала заряд дольше? Попробуйте придерживаться этих простых правил:

Правило №1: Не стоит разряжать аккумулятор полностью.

«Подавляющее большинство владельцев смартфонов и планшетов разряжают аккумулятор до 0%. Это неправильно. Литий-ионные аккумуляторы рекомендуется заряжать чаще. Начиная с отметки 10-20%, телефон уже можно ставить на зарядку, что увеличит срок службы вашего аккумулятора», ― говорит Евгений Иконников, руководитель отдела развития продукта и сервиса Fly Украина. — «Полностью заряжать и разряжать такие аккумуляторы достаточно один раз в три месяца; если делать это чаще, батарея изнашивается быстрее».

Правило №2: Не допускайте перезаряда аккумулятора.

Не оставляйте смартфон на зарядке, например, на всю ночь. Как вариант — используйте специальные энергосберегающие розетки, которые позволяют отключить зарядное устройство от сети через заданное время.

Правило №3: Отключайте интерфейсы и приложения, которыми не пользуетесь.

Значительная часть заряда батареи расходуется на работу приложений и таких беспроводных технологий передачи данных, как WI-FI, GPS, Bluetooth, — их не рекомендуется держать включенными без надобности. Установите на свое устройство специальное приложение, с помощью которого можно отключить все энергозатратные программы сразу.

Правило №4: Отключите автояркость экрана.

Практически все смартфоны оснащены встроенными датчиками света, которые помогают регулировать уровень яркости экрана в зависимости от условий естественного освещения внешней среды. Но функция автояркости требует от процессора беспрерывно обрабатывать данные. В результате устройству для работы нужно больше энергии. Лучше выставляйте яркость вручную.

Правило №5: Не подвергайте гаджет воздействию экстремальных температур.

Будьте внимательны к температуре хранения литий-ионных батарей — высокие и низкие температуры негативно влияют на срок их жизни. Аккумулятор прослужат дольше, если он будет находиться в условиях, комфортных для вас самих. Оптимальная температура для большинства батарей — 15°С.

root-nation.com

почему он стареет? — android.mobile-review.com

2 марта 2018

Константин Иванов

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

По материалам androidcentral.com

Каждый из нас замечал, как велика разница между тем, как держит заряд новенький смартфон и как – аппарат, проживший год или больше. И если ваше устройство служит вам уже довольно долго, оно может не жить от одной зарядки и полного дня. Почему так происходит?

Аккумулятор: как это работает?

Никакой магии здесь нет, только электричество. Для того, чтобы понять, почему теперь вам чаще требуется заряжать смартфон, вначале надо в самых общих чертах разобраться, как вообще работает аккумулятор.

Электричество, как и любая энергия – это не то, что можно просто взять и создать. То, что мы называем «производить электричество», это всего лишь перевод одного вида энергии в другой. В аккумуляторе используется химическая реакция, чтобы создать электрический заряд, который со временем может быть измерен. Для создания этого заряда могут использоваться различные материалы, и они дадут различный результат. В наших смартфонах используются аккумуляторы на основе лития, поскольку они производят достаточно энергии при приемлемой стоимости.

Внутри аккумулятора смартфона вы найдете три важных для нашего разговора компонента. Это отрицательный электрод (называется анодом и обычно делается из графита), положительный электрод (называется катодом и сделан из сплава лития и других металлов) и раствор электролита. Реакция, которая происходит с участием этих трех компонентов, проста в своей основе и позволяет использовать их для накопления энергии. Когда вы заряжаете электроды (в процессе использования зарядного устройства), ионы лития получают положительный заряд и притягиваются к отрицательно заряженному электроду. Когда вы снимаете смартфон с заряда, эти ионы лития начинают терять свой положительный заряд и перестают притягиваться к отрицательно заряженному электроду. Чем дольше вы тратите энергию заряженной батареи, тем больше увеличивается количество ионов лития, которые лишены заряда. Так происходит до момента, когда заряженных ионов не остается в количестве, достаточном для того, чтобы аккумулятор выдавал хоть какую-то энергию, и тогда он оказывается разряженным. Затем мы снова ставим смартфон на зарядку, и цикл повторяется.

«Цикл» здесь является очень важным понятием. Аккумуляторы создаются для того, чтобы сохранять энергию, и измерить срок их службы в единицах времени очень сложно. Например, у вас батарея прослужит два года, а у кого-то – всего полгода, потому что она будет по-разному использоваться. Так что мы можем только предполагать, сколько проживет аккумулятор, а срок этот будет измеряться в циклах заряда. Обычный аккумулятор в смартфоне разработан так, чтобы выдержать около 500 – 600 циклов (цикл определяется как заряд полностью разряженного аккумулятора до 100% и затем разряд его до нуля). Заряд наполовину рязряженного аккумулятора, а потом разряд его до 50% — это неполный цикл, вот почему вам рекомендуют заряжать смартфон до того, как он разрядится в ноль, а также не советуют пытаться одурачить систему таким образом и отодвинуть наступление того самого, 500-го цикла. Конечно, это так не работает, поскольку ваш аккумулятор не ведет подсчет циклов заряда. Пять сотен – это приблизительная оценка.

Однако срок службы может измеряться в циклах, принимая во внимание то, что происходит, когда вы заряжаете батарею, и то, как это влияет на последующие циклы заряда, количество энергии, которое аккумулятор может накопить, и возможное напряжение.

Заклятые враги – окисление и энергоэффективность

Электромобили – уже реальность, а аккумуляторы, которые в них используются, безумно дороги. Поэтому проводилось множество исследований на тему того, почему литий-ионные батареи деградируют со временем. Результаты применимы и к менее дорогим (но все же недешевым!) батареям наших смартфонов. И виной всему химические изменения, которые происходят во время зарядки.

Итак, мы знаем, что при заряде аккумулятора ионы лития получают положительный заряд и притягиваются к отрицательному электроду. По мере того, как притягивается все больше и больше заряженных ионов, увеличивается разность потенциала между положительным и отрицательным электродом, известная как напряжение. Когда она достигает определенного значения, аккумулятор считается полностью заряженным. Когда аккумулятор разряжается, происходит противоположный процесс: разность потенциала уменьшается, пока не достигнет нуля, поскольку на отрицательном электроде больше не остается положительно заряженных ионов. Но это не означает, что отрицательный электрод остается таким же, каким был до начала процесса.

Электроды окисляются. Точно так же вода и воздух заставляют железо ржаветь. Литий, графит и соли электролита заставляют электрод окисляться. Когда каждый положительно заряженный ион отделяется от анода, он оставляет после себя микроскопический слой частиц, который химически соединен с графитовым анодом. Это частички, состоящие из атомов оксида лития и карбоната лития, ни у одного из этих веществ нет таких же химических или электрических свойств, что у графита. Этот слой мешает во время цикла заряда/разряда, меняя разность потенциала (напряжение) и количество заряженных ионов, которые способен привлечь электрод. Очевидно, изменения будут заметными. Если вы продолжите использовать аккумулятор и заряжать его, как вы обычно это делаете, наступит момент, когда он не сможет накопить достаточно энергии, чтобы включить ваш смартфон.

Различные виды сплавов лития, как и различные соли, которые используются в растворе электролита, оказывают влияние на то, насколько много таких частичек остается на электроде, но материалы, которые обеспечивают более чистый цикл, необязательно являются самыми лучшими, поскольку они не могут обеспечить достаточного накопления энергии. В смартфонах нам требуются аккумуляторы с большой емкостью и малым расходом энергии, поскольку они безопаснее, чем более мощные батареи, и стоят меньше, а нам требуется, чтобы они обеспечивали энергией наши устройства как можно дольше. В электрическом транспорте можно использовать очень емкие и очень мощные аккумуляторы, поскольку они защищены прочным корпусом, с меньшей вероятностью будут повреждены, а машине между зарядками потребуется проехать большое расстояние. Однако стоимость замены аккумулятора для автомобиля Tesla модели S – $12 000. Частично причина такой цены кроется в стоимости материалов, которые требуются для изготовления литий-никель-кобальт-алюминий-оксидного аккумулятора, в отличие от обычного литий-кобальтового аккумулятора в смартфоне, который не рассчитан на такое же количество циклов.

Напряжение имеет значение

Один из важнейших факторов, влияющих на количество циклов, которые может проработать литий-ионный аккумулятор, это его напряжение. Телефоны и автомобили – не единственная область применения литиевых батарей, в США в 2015 Департамент энергетики потратил много времени и средств, чтобы разобраться, чем связаны проблемы и как их решить – ведь в спутниках используются аккумуляторы на основе лития и солнечные элементы. И помимо конструкции аккумулятора, негативным фактором, влияющим на срок службы, оказалось номинальное напряжение заряда и номинальное напряжение самого аккумулятора.

Химический процесс, благодаря которому работает литиевый аккумулятор, приводит к деградации анода, как говорилось выше. Но если вы заряжаете аккумулятор под напряжением более 3.9 В, похожая деградация происходит и с катодом, что наполовину сокращает срок службы аккумулятора. Напряжение заряда и напряжение аккумулятора по сути являются одним и тем же, поскольку возбуждаются все компоненты батареи, а кроме того, зарядка вызывает нагревание, и чем больше напряжение заряда, тем больше будет нагрев. Нагревание, которое происходит, когда возбуждающее аккумулятор напряжение превышает 3.9 В, усиливает деградацию катода.

Другими словами, напряжение, которое требуется для современного телефона, чтобы быстро зарядить его батарею, делает проблему нерешаемой. Это видно любому, кто использует дрель на батарейках. 12 или 14-вольтовые батарейки в инструменте даже близко не живут столько же, сколько те, что используются в наших телефонах. Они имеют большее напряжение, заряжаются под большим напряжением, они намного горячее и заметно портятся всего лишь через несколько циклов. Это те же самые простые аккумуляторы на основе лития, как и в телефоне, поскольку если использовать материалы, как в батареях Tesla S, это будет слишком дорого, и долго они не прослужат. К счастью, большая часть материалов идет в переработку, и мы не тонем в батареях от электроинструмента, в которых литий стоит дороже золота.

Хорошая новость: компании, которые производят литиевые аккумуляторы, стараются улучшить ситуацию. Тот, кому удастся создать батарею, которая сможет служить заметно дольше, заработает много денег. А нам остается только заряжать наши телефоны тогда, когда они в этом нуждаются, и понимать, что нет никакого заговора производителей аккумуляторов с целью заставить нас чаще покупать новые устройства.

android.mobile-review.com

Как продлить жизнь литий-ионному аккумулятору

Статья расскажет о том, как можно продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов.

В предыдущей статье (Смартфон с мощным аккумулятором) я писал о том, насколько важна емкость батареи для мобильных устройств. В контексте питания мобильного устройства существует еще один важный аспект, это срок службы литиевых аккумуляторов. Проблема в том, что у li-ion аккумуляторов срок службы имеет ограничения. Причем, в зависимости от условий эксплуатации этот срок может быть даже меньше года, в календарном выражении.

Это связано с тем, что литий-ионная батарея подвержена деградации, как впрочем и любой другой тип аккумуляторов. Такая деградация выражается в прогрессирующем уменьшении емкости батареи с течением времени. Емкость аккумулятора постоянно (во времени) снижается и наконец доходит до такого уровня, когда пользоваться устройством (в котором этот аккумулятор) становится невозможно.

Деградация батареи увеличивает стоимость владения устройством, ведь через какое-то время нужно тратить деньги на ее замену. Более того, может оказаться и так, что устройство окажется вообще нерабочим, если не удастся найти такую же, новую батарею. Вот почему вопрос увеличения срока эксплуатации литий-ионных аккумуляторов так важен.

Особенно это важно применительно к таким устройствам как смартфоны. Для смартфонов характерна интенсивная модель эксплуатации - обычно смартфон включен и работает (хотя и в режиме ожидания) круглые сутки, без выходных и праздников. Кроме того смартфон много времени используется в активном режиме - со включенным экраном и подключением к Интернет. Это приводит к быстрому разряду аккумулятора и необходимости частой зарядки. В зависимости от интенсивности использования и емкости батареи, зарядка батареи смартфона может быть необходима даже каждый день. Поэтому аккумуляторы смартфонов имеют более короткий срок жизни в сравнении например с другими устройствами.

Дело в том, что разрушение аккумуляторов происходит не по календарному времени, а по количеству циклов "заряд и разряд". У аккумуляторов есть ограниченное количество таких циклов, после чего они теряют свою емкость до неприемлемого уровня. Для литиевых аккумуляторов срок службы может колебаться от 300 до 800 циклов "заряд и разряд".

Предположим что в смартфоне установлена дешевая литий-полимерная (li-pol) батарея с ресурсом в 300 циклов. При этом интенсивность использования этого смартфона требует зарядки каждый день. А это означает что батарея этого смартфона "умрет" не прожив даже одного года!

Вот почему важно знать сроки службы литий-ионных аккумуляторов. И не менее важно знать причины их деградации. Для того, чтобы можно было продлить жизнь литий-ионному аккумулятору.

Уже давно, в разных странах, проводят исследования причин разрушения литий-ионных аккумуляторов. И на основании этих исследований совершенствуются сами литий-ионные аккумуляторы, а также алгоритмы их использования. Наука и техника не стоят на месте и сегодня характеристики литий-ионных аккумуляторов во много раз превосходят те, что были 20 или 30 лет назад.

Однако и мы сами, пользователи мобильных устройств, тоже можем увеличить срок службы li-ion аккумулятора за счет его правильной эксплуатации. Которая сокращает факторы разрушающие li-ion батареи. Но для этого нужно знать эти факторы.

Существует много научных исследований на эту тему. Например есть неплохая статья, которая суммирует несколько исследований японских ученых - Charging - research and methodology. Она на английском языке и довольно большая. Я здесь даю краткое изложение этой статьи. Самые важные аспекты.

Итак, главные факторы, разрушающие li-ion батарею.

Напряжение батареи

Напряжение внутри батареи. То есть разница потенциалов между анодом и катодом. Деградация плавно увеличивается после напряжения 3.92 вольта. Однако при напряжения выше 4.2 вольта деградация резко увеличивается. Если напряжение не превышает 4.2 вольта, литий-ионная батарея, плавно теряя свою емкость, может выдержать более 600 циклов. Но при напряжении 4.35 вольта эта же батарея не выдержит и 300 циклов.

Срок службы литий ионных аккумуляторов - зависимость от напряжения

Этот разрушительный фактор начинает действовать уже на этапе зарядки. Обычно алгоритм зарядки состоит из двух этапов:

  1. Первый этап - зарядка с постоянным током и повышающимся до максимального напряжением.
  2. Второй этап - зарядка с уменьшающимся током, но с поддержанием постоянного (максимального) напряжения. То есть на втором этапе зарядки уже начинает действовать разрушающий фактор высокого напряжения.

Далее, этот фактор может действовать и после зарядки, если батарея долгое время находится в полностью заряженном состоянии. Например полностью заряженный смартфон долго находится в режиме ожидания (без активного использования). То есть с максимальным напряжением. При активном использовании напряжение на батарее снижается.

У большинства современных литий-ионных аккумуляторов напряжение, при полном заряде аккумулятора, превышает 4.2 вольта и может доходить до 4.35 вольт. Причем есть постоянная тенденция к увеличению напряжения на литий-ионных аккумуляторах.

Для чего производители увеличивают напряжение аккумуляторов? Для того чтобы увеличить удельную емкость аккумуляторов. Удельная емкость это емкость в отношении к размеру и весу батареи.

Условно говоря, если ограничить максимальное напряжение литий-ионного аккумулятора, скажем значением 3.9 вольта, тогда его емкость будет 1500 мАч. А если максимальное напряжение поднять до 4.35 вольт, тогда емкость этого же аккумулятора возрастет до 3000 мАч. Цифры в этом примере условные. Увеличение удельной емкости (повышение напряжение батареи) позволяет уменьшать размеры и вес батарей, а также их стоимость. Вот так, просто повысив напряжение батареи, производитель смартфона может указать в спецификации более красивую цифру емкости аккумулятора!

В качестве примера рассматривать почти любой китайский смартфон. Например Uhans A101. У него емкость батареи 2600 мАч. Но когда эта емкость достигается, напряжение на батарее 4.35 вольта. А при напряжении 3.9 вольта, эта батарея имеет примерно 50% своей паспортной емкости, то есть в районе 1300 мАч.

Итак. Для того, чтобы продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов необходимо следить за напряжением аккумулятора. Оно не должно превышать 4.2 вольта. А если его держать не более 3.9 вольта тогда будет еще лучше - деградация литиевой батареи начинается после 3.9 вольт.

Как можно следить за напряжением аккумулятора в смартфоне? Все, или почти все, современные смартфоны имеют, в своей схемотехнике цифровой вольтметр. И показания этого вольтметра можно узнать с помощью прикладной программы. Для Андроид есть хорошее приложение - GSam Battery Monitor. Эта программа показывает напряжение, температуру, текущую емкость, а также расход емкости. И перечисляет "жрунов" батареи. Используя эту программу, можно контролировать процесс зарядки не допуская превышения напряжения сверх 4.2 вольта.

GSam Battery Monitor

Если батарея съемная, показания встроенного вольтметра смартфона можно проверить внешним вольтметром. Проверить напряжение встроенным вольтметром, затем снять батарею и проверить напряжение внешним вольтметром. После этого установить батарею в смартфон и снова проверить напряжение через встроенный вольтметр.

Нужно понимать, что если вы будете ограничивать максимальное напряжение батареи, плата за это будет снижение ее емкости. Поскольку вам придется заряжать ее не конца (не до ее полной паспортной емкости). И в зависимости от модели смартфона и батареи, снижение емкости может быть существенным. Например на дешевом китайском смартфоне Uhans A101 напряжение при полном заряде аккумулятора равно 4.35 вольта. А при напряжении 4.2 вольт этот аккумулятор имеет емкость менее 70%. То есть, в этом случае, для поддержания безопасного напряжения, емкость аккумулятора придется снижать примерно на 30%!

Величина зарядного тока

Следующий разрушительный фактор это величина зарядного тока, который подается на литий-ионный аккумулятор. Чем выше зарядный ток, тем сильнее разрушается батарея. Наименьшая деградация при токе зарядки 1С или меньше. Даже при незначительном повышении тока зарядки, например 1.4С, срок жизни литий-ионного аккумулятора уменьшается очень сильно.

Срок службы литий ионных аккумуляторов - зависимость от силы тока

Формула силы тока 1С означает привязку силы тока к емкости батареи. Например для батареи емкостью 1000 мАч ток 1С будет равен 1 ампер (1000 миллиампер). Соответственно для батареи емкостью 1500 мАч ток 1С будет равен 1.5 ампера.

Этот фактор становится все более значимым, поскольку производители соревнуются, среди прочего, и за скорость зарядки устройства. А скорость зарядки увеличивается за счет увеличения тока зарядки.

Температура батареи

Следующий разрушительный фактор это температура литий-ионного аккумулятора. Чем она выше, тем короче будет срок службы батареи. Температура может повышаться за счет внешнего нагрева - если устройство лежит на солнечном свете (летом) или возле источника отопления. Температура также может повышаться при интенсивной зарядке или разрядке. Работа устройства с высокой нагрузкой, например игра. Или зарядка батареи большим током (более 1С).

В литий-ионные аккумуляторы встраивают контроллеры, которые постоянно проверяют напряжение ячеек, а также их температуру. Однако в дешевых аккумуляторах, датчик температуры часто не ставят. И в таком случае нужно следить за температурой батареи на ощупь.

Проверить наличие датчика температуры аккумулятора, в вашем смартфоне, можно при помощи той же программы GSam Battery Monitor. Если она показывает одну и ту же температуру при разной нагрузке (режим ожидания, активное использование и зарядка) значит датчика температуры в батарее нет. Если показания температуры изменяются - значит датчик есть.

Кроме повышенной температуры вредна и зарядка аккумулятора большим током при окружающей температуре ниже 5-10 градусов Цельсия.

Перезаряд батареи

Литий-ионные аккумуляторы критичны к перезаряду. Если, после полного заряда, продолжать подачу зарядного тока, батарея быстро выйдет из строя. Для предотвращения перезаряда, все литий-ионные аккумуляторы имеют встроенный контроллер, который разрывает цепь зарядки, после того, как аккумулятор заряжен. Однако в дешевых аккумуляторах такого контроллера может не быть. Кроме того такой контроллер может выйти из строя. И тогда аккумулятор быстро "погибнет" от перезаряда.

Резюме

Главные факторы которые сокращают службы литий-ионных аккумуляторов:

  1. Напряжение батареи выше 4.2 вольта. В действительности деградация начинается при напряжении 3.9 вольт, но после 4.2 вольта она резко прогрессирует.
  2. Ток зарядки выше 1С.
  3. Температура батареи выше 30 градусов.
  4. Перезаряд.

Следите, при помощи какого-либо приложения, за напряжением в процессе зарядки батареи. Отключайте зарядку, когда напряжение приближается к 4.2 вольта. Если есть такая возможность то даже при 3.9 вольта, уже нужно отключать зарядку. Но это может значительно снизить рабочую емкость аккумулятора.

Так же при помощи приложения следите за током зарядки. Лучше всего заряжать током силой менее 1С. Например через USB порт компьютера, поскольку на портах компьютера обычно есть ограничение по току.

Следите за температурой. Не оставляйте ваше устройство на ярком солнечном свете. Не оставляйте ваше устройство вблизи сильных источников тепла. Следите за температурой батареи при интенсивной нагрузке (например в играх или во время зарядки).

Не оставляйте ваше устройство без присмотра на зарядке, чтобы избежать возможной перезарядки аккумулятора (в случае выхода из строя контроллера батареи). Особенно рискованно оставлять устройство на зарядке на ночь, если контроллер батареи выйдет из строя, вы гарантировано получите перезаряд батареи и например вздутие аккумулятора.

Хранение литий-ионных аккумуляторов

Если планируется долго хранить устройство или отдельно аккумулятор, то перед таким хранением нужно узнать напряжение аккумулятора и если оно выше чем 3.9 вольта, тогда нужно разрядить его до тех пор пока напряжение на нем не уменьшится до 3.9 или 3.8 вольт.

Если же оставить на хранении аккумулятор при напряжении более 4.2 вольт, тогда, через несколько месяцев он может значительно разрушиться.

С завода литий-ионные аккумуляторы (в режиме хранения) обычно выпускаются заряженными лишь частично - до напряжения 3.7 - 3.8 вольта.

Сопутствующие статьи:

 

Помощник.ru, 2017

 

adiutor.ru

Деградация аккумуляторов изучена на уровне отдельных частиц

Деградация аккумуляторов изучена на уровне отдельных частиц

23.10.13 | Рубрика: Литиевые источники тока. Просмотры: 1 059

Загрузка...

63288_webСовременные литий-ионные батареи содержат активные материалы — промежуточные компаунды, которые способны накапливать заряды в своей химической структуре без заметных ее изменений. Это делает такие аккумуляторы сравнительно долговечными и безопасными. Недостатком промежуточных материалов является их ограниченная энергетическая плотность (количество энергии, которое они способны хранить на единицу массы или объема).

В поиске путей совершенствования батарей ученые уже более 20 лет экспериментируют с веществами, способными циклически образовывать сплавы с литием и возвращаться в исходное состояние. По результатам лабораторных испытаний такие материалы многократно превосходят по плотности энергии промежуточные компаунды. Однако практическому их применению препятствует низкая стабильность: емкость таких аккумуляторов существенно снижается уже после нескольких циклов перезарядки.

Причиной этого является значительное — почти в три раза — увеличение объема электродного материала в процессе зарядки. В ходе разрядки материал сжимается вновь, не достигая, однако, исходного состояния. Структура электрода разрушается, и фрагменты его утрачивают контакт с электрической схемой аккумулятора.

Для того, чтобы лучше представить сложные электрохимические и механические аспекты процесса деградации структуры электрода, ученые цюрихского Федерального технологического института ETH использовали рентгеновский томографический микроскоп, реализованный на базе Swiss Light Source, синхротронной установки в институте Пауля Шерера. Генерируемое синхротроном спектрально чистое и интенсивное рентгеновское излучение позволяет быстро получать снимки с высоким разрешением, на основе которых компьютер воссоздает трехмерное анимированное изображение.

Исследователи в течение 15 часов наблюдали за функционированием батареи, собрав уникальную количественную информацию о процессах, происходящих в каждой из тысяч частиц электрода. Полученные результаты будут опубликованы в журнале Science и предварительно представлены в онлайновом дайджесте Science Express.

Ученые продемонстрировали, что насыщение литием частиц оксида олова происходит равномерно от границ к центру. Расширение материала носит линейную зависимость от запасаемого в нем заряда. Рентгеновские изображения показывают, что такая зарядка необратимо повреждает структуру частиц. При этом трещины образуются не беспорядочно, а там, где кристаллическая решетка уже содержит дефекты. После разрядки они не исчезают, то есть структура материала восстанавливается не полностью.

Изменение объема индивидуальных частиц в эксперименте приводило к расширению всего электрода с 50 до 120 мкм, в разряженном же состоянии он уменьшался лишь до 80 мкм. Это демонстрирует недостаточную пригодность полимерного наполнителя для материала с большим диапазоном изменения объема. Для батареи подобные остаточные деформации критичны, поскольку из-за них отдельные частицы могут терять контакт с электродом, что ведет к уменьшению общей емкости.

Результаты этого исследования создают предпосылки для разработки новых электродных материалов и структур, устойчивых к изменению объема, и которые можно производить в промышленных масштабах с низкой себестоимостью. В частности, по мнению авторов, наилучшие перспективы имеет применение аморфных наноструктурированных материалов вместо кристаллических.

Источник: KO

Метки:: Science Express, Swiss Light Source, литиевые источники тока, литий-ионные батареи, Пауль Шерер, сплавы с литием, Федеральный технологический институт ETH, энергетическая плотность

www.battery-industry.ru

Деградация литий-ионных аккумуляторов - Обо всём понемногу

С каждым зарядом литий-ионный аккумулятор изнашивается и теряет свои свойства, из-за чего устройство, в котором он установлен, разряжается быстрее, чем в самом начале эксплуатации сразу после покупки.

Происходит это из-за деградации силовых модулей в аккумуляторе под воздействием постоянных циклов перезарядки. Ученые создали специальное устройство для электронного микроскопа, которое позволяет рассмотреть ячейки литий-ионных аккумуляторов, сделав при этом снимки, демонстрирующие деградацию элемента питания.

На изображении литий, представленный в виде черных «облаков», некоторое время окружает электроды во время каждого цикла, но полностью не исчезает. Частый заряд аккумулятора с каждым разом все больше окружает электрод «облаками» лития и уменьшает объем электрода, что отрицательно сказывается на емкости самого аккумулятора. Если говорить проще, то деградация аккумулятора происходит также, как и распространяется ржавчина на железе, то есть появляется в отдельных зонах, а затем распространяется на всю поверхность.

Пять простых правил, которые помогут «продлить жизнь» аккумулятору

Мир вокруг нас требует быть на связи постоянно. При этом владельцы смартфонов и планшетов часто сталкиваются с проблемой: устройство разряжается в самый неподходящий момент. Что же делать для того, чтобы батарея держала заряд дольше? Попробуйте придерживаться этих простых правил:

Правило №1: Не стоит разряжать аккумулятор полностью.

«Подавляющее большинство владельцев смартфонов и планшетов разряжают аккумулятор до 0%. Это неправильно. Литий-ионные аккумуляторы рекомендуется заряжать чаще. Начиная с отметки 10-20%, телефон уже можно ставить на зарядку, что увеличит срок службы вашего аккумулятора», ― говорит Евгений Иконников, руководитель отдела развития продукта и сервиса Fly Украина. — «Полностью заряжать и разряжать такие аккумуляторы достаточно один раз в три месяца; если делать это чаще, батарея изнашивается быстрее».

Правило №2: Не допускайте перезаряда аккумулятора.

Не оставляйте смартфон на зарядке, например, на всю ночь. Как вариант — используйте специальные энергосберегающие розетки, которые позволяют отключить зарядное устройство от сети через заданное время.

Правило №3: Отключайте интерфейсы и приложения, которыми не пользуетесь.

Значительная часть заряда батареи расходуется на работу приложений и таких беспроводных технологий передачи данных, как WI-FI, GPS, Bluetooth, — их не рекомендуется держать включенными без надобности. Установите на свое устройство специальное приложение, с помощью которого можно отключить все энергозатратные программы сразу.

Правило №4: Отключите автояркость экрана.

Практически все смартфоны оснащены встроенными датчиками света, которые помогают регулировать уровень яркости экрана в зависимости от условий естественного освещения внешней среды. Но функция автояркости требует от процессора беспрерывно обрабатывать данные. В результате устройству для работы нужно больше энергии. Лучше выставляйте яркость вручную.

Правило №5: Не подвергайте гаджет воздействию экстремальных температур.

Будьте внимательны к температуре хранения литий-ионных батарей — высокие и низкие температуры негативно влияют на срок их жизни. Аккумулятор прослужат дольше, если он будет находиться в условиях, комфортных для вас самих. Оптимальная температура для большинства батарей — 15°С.

hucksters.livejournal.com

Li-Ion аккумуляторы - правда и мифы.

Читая "советы по эксплуатации" аккумуляторов на форумах невольно задумываешься - то ли люди физику с химией в школе прогуливали, то ли думают что правила эксплуатации свинцовых и ионных аккумуляторов одинаковые. Начнем пожалуй с принципов работы Li-Ion аккумулятора. На пальцах все предельно просто - есть отрицательный электрод (сделаный обычно из меди), есть положительный (из алюминий), между ними находится пористое вещество (сепаратор), пропитанный электролитом (он предотвращает "самовольный" переход ионов лития между электродами): Принцип работы основан на возможности ионов лития встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов - обычно графита или оксида кремния - с образованием химических связей: соответственно при зарядке ионы встраиваются в кристаллическую решетку, тем самым накапливая заряд на одном электроде, при разрядке соответственно переходят обратно к другому элетроду, отдавая нужный нам электрон (кому интересно более точное объяснение происходящих процессов - гуглим интеркаляцию). В качестве электролита используются водосодержащие растворы, не содержащие свободного протона и устойчивые в широком диапазоне напряжений. Как видно в современных аккумуляторах все сделано достаточно безопасно - металлического лития нет, взрываться нечему, по сепаратору бегают только ионы. Теперь, когда с принципом работы все стало более-менее понятно, перейдем к самым распростаренным мифам о Li-Ion аккумуляторах:
  1. Миф первый. Li-Ion аккумулятор в устройстве нельзя разряжать до нуля процентов. На деле все звучит правильно и согласуется с физикой - при разрядке до ~2.5 В Li-Ion аккумулятор начинает очень быстро деградировать, и даже одна такая разрядка может существенно (до 10%!) уменьшить его емкость. К тому же при разряде до такого напряжение штатным зарядником зарядить его уже не получится - при падении напряжения ячейки аккумулятора ниже ~3 В "умный" контроллер отключит ее как поврежденную, а если такие ячейки все - аккумулятор можно нести на помойку. Но тут есть одно очень важное но, о котором все забывают: в телефонах, планшетах и других мобильных устройствах рабочий диапазон напряжений на аккумуляторе это 3.5-4.2 В. При опускании напряжения ниже 3.5 В индикатор показывает ноль процентов заряда и аппарат выключается, но до "критических" 2.5 В еще очень далеко. Это подтверждается тем что если подсоединить к такому "разряженному" аккумулятору светодиод то он может гореть еще долгое время (может кто-то помнит что раньше продавались телефоны с фонариками, которые включались кнопкой независимо от системы. Так вот там лампочка продолжала гореть и после разрядки и выключения телефона). То есть как видно при штатном использовании разрядки до 2.5 В не происходит, а значит разряжать акум до нуля процентов вполне можно.
  2. Миф второй. При повреждении Li-Ion аккумуляторы взрываются. Все мы помним "взрывной" Samsung Galaxy Note 7. Однако это скорее исключение из правил - да, литий очень активный металл, и взорвать его в воздухе нетрудно ( а в воде он и сам очень ярко горит). Однако в современных аккумуляторах используется не литий, а его ионы, которые куда менее активны. Так что чтобы произошел взрыв нужно сильно постараться - или повредить заряжающийся аккумулятор физически (устроить короткое замыкание), или заряжать очень высоким напряжением (тогда он сам повредится, однако скорее всего контроллер банально сгорит сам и не даст заряжать аккумулятор). Поэтому если у вас вдруг в руках оказался поврежденный или дымящийся аккумулятор - не стоит бросать его на стол и убегать из комнаты с криками "мы все умрем" - просто положите его в металлическую тару и вынесите на балкон (чтобы не дышать химией) - аккумулятор будет тлеть какое-то время и потом потухнет. Главное - не заливать водой, ионы конечно менее активные чем литий, но все же какое-то количество водорода при реакции с водой так же выделится (а он любит взрываться).
  3. Миф третий. При достижении на Li-Ion аккумуляторе 300(500/700/1000/100500) циклов он становится небезопасен и его нужно срочно менять. Миф, к счастью все меньше и меньше гуляющий по форумам и не имеющий под собой вообще никакого физического или химического объяснения. Да, во время эксплуатации электроды окисляются и коррозируют, что уменьшает емкость аккумулятора, но ничем кроме меньшего времени автономной работы и нестабильного поведения на 10-20% заряда это вам не грозит.
  4. Миф четвертый. С Li-Ion аккумуляторами нельзя работать на морозе. Это скорее рекомендация, чем запрет. Многие производители запрещают использовать телефоны при отрицательное температуре, да и многие сталкивались с быстрым разрядом и вообще отключением телефонов на холоде. Объяснение этому очень простое: электролит - это водосодержащий гель, а что происходит с водой при отрицательных температурах все знают (да, она замерзает если что), тем самым выводя некоторую область аккумулятора из работы. Это приводит к падениею напряжения, а контроллер начинает считать это разрядкой. Аккумулятору это не полезно, но и не смертельно (после нагрева емкость вернется), так что если вам позарез нужно пользоваться телефоном в мороз (именно пользоваться - достать из теплого кармана, посмотреть время и спрятать назад не считается) то лучше зарядите его на 100% и включите любой процесс, нагружающий процессор - так охлаждение будет происходить медленнее.
  5. Миф пятый. Вздувшийся Li-Ion аккумулятор опасен, его нужно срочно выкинуть. Это не совсем миф, скорее предосторожность - вздувшийся аккумулятор может банально лопнуть. С химической точки зрения все просто: при процессе интеркаляции происходит разложение электродов и электролита, в результате чего выделяется газ(так же он может выделяться и при перезарядке, но об этом чуть ниже). Но его выделяется крайне мало, и чтобы аккумулятор казался вздутым должно пройти несколько тсотен (если не тысяч) циклов перезарядки (если конечно он не бракованный). Проблем избавиться от газа нет - достаточно проткнуть клапан (в некоторых аккумуляторах он сам открывается при избыточном давлении) и стравить его (дышать им не рекомендую), после чего можно замазать дырку эпоксидной смолой. Конечно былую емкость это аккумулятору не вернет, но хотя бы теперь он точно не лопнет.
  6. Миф шестой. Li-Ion аккумуляторам вреден перезаряд. А вот это уже не миф, а суровая реальность - при перезарядке велик шанс что аккумулятор вздуется, лопнет и загорится - поверьте, мало удовольствия быть забрызганным кипящим электролитом. Поэтому во всех аккумуляторах стоят контроллеры, банально не дающие зарядить аккумулятор выше определенного напряжения. Но тут надо быть крайне осторожным в выборе аккумулятора - контроллеры китайских поделок зачастую могут сбоить, а фейерверк из телефона в 3 часа ночи думаю вас не обрадует. Разумеется, такая же проблема есть и в брендовых аккумуляторах, но во-первых там такое случается гораздо реже, а во-вторых вам по гарантии поменяют весь телефон. Обычно этот миф порождает следующий:
  7. Миф седьмой. При достижении 100% нужно снимать телефон с зарядки. Из шестого мифа это кажется разумным, но на деле нет смысла вставать посреди ночи и снимать устройство с зарядки: во-первых сбои контроллера крайне редки, а во-вторых даже при достижении 100% на индикаторе аккумулятор еще некоторое время дозаряжается до самого-самого максимума низкими токами, что добавляет еще 1-3% емкости. Так что на деле не стоит так сильно перестраховываться.
  8. Миф восемь. Заряжать устройство можно только оригинальным зарядником. Миф имеет место быть по причине некачественности китайских зарядников - при нормальном напряжении в 5 +- 5% вольт они могут выдавать и 6, и 7 - контроллер, конечно, какое-то время будет сглаживать такое напряжение, однако в будущем оно в лучшем случае приведет к сгоранию контроллера, в худшем - к взрыву и (или) выходу из строя материнской платы. Бывает и обратное - под нагрузкой китайский зарядник выдает 3-4 вольта: это приведет к тому что аккумулятор не сможет зарядиться полностью.
Как видно из целой кучи заблуждений далеко не все имеют под собой научное объяснение, и еще меньше реально ухудшают характеристики аккумуляторов. Но это не значит что после прочтения моей статьи нужно бежать сломя голову и покупать дешевые китайские аккумуляторы за пару баксов - все-же для долговечности лучше взять или оригинальные, или качественные копии оригинальных.

www.iguides.ru

немного о правильной эксплуатации — android.mobile-review.com

13 января 2015

Константин Иванов

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

По материалам gizmodo.com

Ваш смартфон – это настоящее чудо техники, мощный компьютер в маленьком корпусе, который справляется с огромным количеством задач. Но все его могущество разом сводится к нулю, когда на исходе заряд его батареи. Сменный аккумулятор становится все менее распространенным, и поэтому все более актуален вопрос, как лучше позаботиться о батарее в вашем смартфоне. К счастью, не так уж и сложно успешно сохранять ее ресурс – важно только следовать нескольким простым правилам.

Мы не будем говорить о простейшем правиле «не убивать оставшийся заряд на игрушки и выключить наконец ненужные GPS и Wi-Fi, если «силы» телефона на исходе, а он позарез нужен вам весь ближайший час». Но приведенные ниже рекомендации вполне способны помочь вам сохранить здоровье трудяги-аккумулятора.

Аккумулятор в вашем смартфоне: немного о правильной эксплуатации

Сохраняйте оптимальный уровень заряда

Возможно, вы слышали что-то об «эффекте памяти» у аккумулятора. О том, что если не «тренировать» аккумулятор, заряжая его полностью и разряжая в ноль, он утратит часть своей емкости. Забудьте об этом применительно к вашему смартфону.

«Память» аккумулятора – реальность, но это применимо к батареям на никелевой основе, а с литий-ионной в вашем аппарате следует обращаться несколько иначе. Если конкретнее, подзаряжать, когда у вас имеется такая возможность.

Для того, чтобы максимально продлить жизнь такому аккумулятору, вам нужно максимальное время держать его заряженным более чем наполовину. А вот полный заряд и потом разряд в ноль ничего хорошего добиться не позволят, более того, только навредят, если повторять такое часто. Полный заряд и разряд где-то раз в месяц для калибровки – этого вполне достаточно. Конечно, если постоянно доводить аккумулятор до пограничных значений, это не заставит его взорваться или еще что, но может сократить ему жизнь.

Постоянно держать телефон на заряде нельзя, ведь батарея перегревается. К счастью, зарядное устройство – достаточно умная штука, чтобы прекратить процесс зарядки, когда аккумулятор заряжен до конца. Более того, батарее вредно быть полностью заряженной все время. Поэтому лучше всего будет снимать телефон с зарядки, прежде чем она достигнет 100%, а оставлять его, когда он уже зарядился, не стоит.

Подведем итоги. Если вы хотите продлить жизнь аккумулятору смартфона, старайтесь держать заряд в промежутке между 40 и 80%. Лучше несколько таких циклов за день, чем полное опустошение батареи и затем полная зарядка.

Держите в прохладе

Теперь, когда мы разобрались с проблемой неоптимальной зарядки, мы можем начать борьбу с врагом, который куда страшнее ее. Это жара. Ваша батарея деградирует на жаре намного быстрее, независимо от того, насколько активно используется ее ресурс.

При средней температуре 0°C литий-ионная батарея теряет 6% своей емкости в год. При 25°C это число вырастает до 20, а при 40 градусах достигает 35%. Это не значит, что нужно совать телефон в морозилку – просто не оставляйте его в перегретой машине или подобных местах.

Избегайте беспроводной зарядки

Наличие возможности беспроводной зарядки – преимущество для современного смартфона, но издержки у него также есть. Нынешние индукционные беспроводные зарядные устройства имеют большой недостаток – выделение тепла. Тепла, которое буквально поджаривает ваш аккумулятор. Ничего хорошего в этом нет. Обычная проводная зарядка не так удобна, но это намного здоровее для батареи.

Избегайте голодной смерти

Если вы собираетесь надолго оставить литий-ионную батарею, лучше, чтобы в ней сохранялось около 40% заряда, и тогда до нуля она не разрядится. Литий-ионные батареи не «истекают» энергией, пока не используются, разве что теряют от 5 до 10% в месяц.

А вот разряжаясь до нуля, такие аккумуляторы становятся нестабильными и даже опасными для зарядки. И для того, чтобы предотвратить взрыв батареи, в ней есть нечто вроде механизма самоуничтожения, встроенная схема, которая отключает (читай, «убивает») ее. Плюс в том, что вы застрахованы от лужи кислоты из аккумулятора, а минус в том, что можно остаться без аккумулятора вовсе.

Используйте быструю зарядку только при необходимости

Многие новые телефоны поддерживают функцию быстрой зарядки – заряжаются от нуля до половины за полчаса. Идеальное решение для экстремальной ситуации – и очень вредное для аккумулятора.

Литий-ионные батареи живут долгой благополучной жизнью, когда заряжаются на низких скоростях. Но поскольку быстрая зарядка идет только в начале цикла, а телефоны и зарядные устройства достаточно умны, чтобы повышать нагрузку лишь в случае необходимости, особой беды не будет. Но если вы не спешите, лучше по старинке заряжать смартфон медленно и при помощи низковольтового зарядного устройства.

И, наконец, не напрягайтесь!

Позаботиться о батарее просто… а полениться – еще проще. И все равно все будет в порядке, если только у вас все в порядке с головой. Обычно литий-ионные батареи живут 3-5 лет, и за это время люди чаще всего меняют устройства. И такие технические мелочи, как оставить телефон на зарядке на ночь или поставить на быструю, приносят правильность в жертву удобству.

Однако избегать совсем уж мучительных пыток для аккумулятора просто – ведь нет ничего сложного в том, чтобы не оставлять смартфон на жаре или не разряжать в ноль. И тогда он не раз порадует вас тем, что может долго сохранять заряд аккумулятора.

android.mobile-review.com