Czy ładowanie telefonu do 80 proc. ma sens? Na te i inne pytania odpowiedział nam naukowiec
Ładowanie i pielęgnacja baterii to temat, który od wielu lat rozbudza wyobraźnie i rozpala dyskusje. Bo każdy chciałby jak najdłużej korzystać ze swojego smartfona, a nie każdy wierzy w efekty ograniczenia ładowania baterii do 80 proc. O faktach, mitach i fenomenach wokół baterii litowo-jonowych w urządzeniach przenośnych rozmawiamy z doktorem Michałem Krajewskim z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego.
Doszliśmy do ciekawego etapu na rynku smartfonów, gdzie częściej niż same smartfony wymieniamy baterie. Wymieniamy albo same baterie, pozostając przy tym samym urządzeniu przez kilka lat, lub idziemy trochę droższą drogą i wymieniamy dotychczasowy smartfon na nowe urządzenie "no bo skoro mam wymienić baterię, to dołożę trochę i kupię nowy smartfon". Tak więc nietrudno się dziwić, że najlepszym sposobem, by uniknąć dodatkowych kosztów związanych z wymianą baterii, jest po prostu dbanie o jej dobrą kondycję.
O ile każdy z nas wie, jak dbać o smartfon by jego obudowa nie skończyła jak iPhone 15 redakcyjnego kolegi Mateusza Nowaka, to dobre praktyki wokół tajemniczych fizyczno-chemicznych bytów, jakim są akumulatory naszych smartfonów, wciąż stanowią zagadkę. To z kolei przyczyniło się do powstania wielu mitów i mniej lub bardziej użytecznych porad, które poddaliśmy ocenie doktora Michała Krajewskiego z Uniwersytetu Warszawskiego.
Z tego artykułu dowiesz się:
- Jak działają baterie litowo-jonowe?
- Co dzieje się z baterią po podłączeniu ładowarki?
- Jak wyglądają procesy uboczne degradujące baterie w smartfonach?
- Jaki jest sens ładowania do nie więcej niż 80 proc.?
- Dlaczego ładowanie przez noc jest szkodliwe?
- Czy "nie schodzenie poniżej 20 proc. baterii" ma sens?
- Jak szybkie ładowanie wpływa na baterię?
- Dlaczego smartfon powinien unikać nadmiernego ciepła?
- Korzystanie z telefonu podczas ładowania - dlaczego należy robić to z rozwagą?
- Czy ładowanie bezprzewodowe szkodzi baterii?
- Czy współcześnie "formatowanie baterii" ma sens?
Aby zrozumieć sens (albo bezsens) niektórych nawyków ładowania trzeba najpierw zrozumieć baterię
Skontaktowaliśmy się z doktorem Michałem Krajewskim z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, ekspertem w dziedzinie elektrochemii, szczególnym zainteresowaniem darzącym baterie litowo-jonowe i sodowo-jonowe, obecnie będąc kierownikiem projektu badawcznego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki. Przez ostatnią dekadę doktor Krajewski opublikował kilkanaście prac badawczych na temat baterii litowych oraz posiada w sumie cztery patenty i zgłoszenia patentowe dotyczące baterii.
Na codzień dr Michał Krajewski prowadzi badania w Pracowni Elektrochemicznych Źródeł Energii na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, gdzie wraz z zespołem badawczym bada zarówno ogniwa litowe, sodowo-jonowe, kwasowo-ołowiowe, jak i układy magazynujące wodór.
Rozmowę z serwisem Spider's Web naukowiec rozpoczął od wyjaśnienia krok po kroku wszystkich aspektów działania, budowy i ładowania baterii litowo-jonowych.
Głównym elementem konstrukcji baterii litowo-jonowej są dwie elektrody: ujemna i dodatnia. By uniknąć zwarcia pomiędzy elektrodami, oddzielone są one separatorem. Z kolei separator nasączony jest elektrolitem - zamyka on obwód elektryczny, ale i zapewnia transport ładunku elektrycznego pomiędzy elektrodami. Na każdej z elektrod, podczas pracy baterii zachodzą elektrochemiczne procesy utleniania i redukcji. Dzięki tym procesom energia z baterii może być uwalniana (zapewniając np. smartfonowi potrzebny prąd) lub przechowywana (ładowanie baterii).
Baterie konstruowane są przy ściśle określonym potencjale elektrycznym elektrod - osobnym dla każdego z ogniw (bo te reprezentują dwa przeciwne bieguny: dodatni i ujemny). Różnica potencjału prowadzi do powstawania napięcia, a to z kolei pożądanego dla nas prądu.
Podłączasz ładowarkę - co się dzieje pod maską?
Jak wyjaśnia doktor Krajewski, zrozumienie budowy i działania baterii litowo-jonowej to połowa sukcesu. Bo drugą połowę stanowi zrozumienie procesu ładowania baterii.
Po podłączeniu do telefonu ładowarki, na elektrodzie dodatniej rozpoczyna się proces utleniania - wzrasta jej potencjał elektryczny. Natomiast na elektrodzie ujemnej zachodzą procesy redukcji - jej potencjał się obniża. To z kolei zwiększa napięcie w całej baterii, co prowadzi do zmagazynowania w niej energii pochodzącej z ładowania.
Gdy bateria się rozładowuje, my widzimy to jako ubywający pasek i dramatyczne powiadomienia. Z perspektywy doktora Krajewskiego dochodzi po prostu do odwrotnego procesu: napięcie w całym układzie (baterii) się obniża, bo urządzenie spożytkowało energię zmagazynowaną w ogniwie.
Nie tylko ładowanie i rozładowanie. Procesy uboczne degradują nasze baterie
Z perspektywy przeciętnego użytkownika smartfona (lub jakiegokolwiek innego urządzenia zasilanego baterią litowo-jonową) jesteśmy świadkami dwóch procesów: ładowania i rozładowywania się akumulatora. Jednak jak wyjaśnia naukowiec, ze względu na obecność w baterii wielu związków chemicznych, mogą w nich zachodzić także procesy uboczne wpływające niekorzystnie na komponenty ogniwa.
Na elektrodzie ujemnej znajdziemy przede wszystkim grafit, z kolei na elektrodzie dodatniej królują tlenki metali przejściowych - głównie kobaltu, niklu i manganu. Podczas ładowania baterii to właśnie te pierwiastki i związki chemiczne są najbardziej narażone na występowanie procesów ubocznych.
W przypadku grafitu procesem ubocznym jest - zamiast akumulacji litu wewnątrz elektrody grafitowej - osadzanie się litu na powierzchni elektrody grafitowej. W ten sposób lit się zużywa i nie jest w stanie dalej transportować ładunku elektrycznego.
Z kolei w przypadku tlenków metali przejściowych wzrastający podczas ładowania potencjał może prowadzić do jednego z dwóch procesów. Pierwszym jest wydzielanie tlenu z materiału elektrodowego, co może prowadzić do rozszczelnienia i rozerwania baterii. Drugim procesem, jeżeli potencjał elektrody dodatniej osiągnie zbyt dużą wartość, jest rozpoczęcie rozkładu samego elektrolitu. Rozpad ten powoduje wydzielanie się gazów, które mogą mechanicznie uszkodzić ogniwo, a przy kontakcie z powietrzem wywołać zapłon.
W przypadku układów laboratoryjnych, potencjały obu elektrod możemy swobodnie kontrolować poprzez umieszczenie w urządzeniu dodatkowej elektrody odniesienia, dzięki której wiemy w każdej chwili, co dzieje się na obu elektrodach. Jednakże w układach komercyjnych taki zabieg przeważnie nie jest stosowany, i kontrola stanu baterii jest wyłącznie regulowana poprzez pomiary napięcia, która nie daje informacji o stanie i procesach zachodzących na poszczególnych elektrodach
- tłumaczy doktor Michał Krajewski.
"Nie ładuj baterii powyżej 80 proc." - ile w tym prawdy?
Biorąc pod uwagę specyfikę budowy i działania baterii, każdy z czynników takich jak np. sposoby eksploatacji urządzenia, specyfika eksploatacji (np. jasność ekranu podczas wykonywania tych samych czynności), temperatura eksploatacji czy praktyki stosowane przy ładowaniu urządzenia ma wpływ na żywotność baterii. Jednocześnie doktor Michał Krajewski nie był w stanie określić, który z nich przeważa, bowiem jego zdaniem "wszystko będzie zależało od ogólnego sposobu użytkowania urządzenia".
Każda bateria, nawet najbardziej wydajna, będzie traciła swoją maksymalną pojemność z cyklu na cykl. Jest to podyktowane drugą zasadą termodynamiki, przed którą nie ma ucieczki – zawsze część energii dostarczonej do urządzenia ulegnie rozproszeniu
- wyjaśnia naukowiec.
Jego zdaniem ładowanie baterii powyżej 80 proc. "może w pewnych warunkach doprowadzać do uszkodzenia baterii". Badacz odpowiadając na nasze pytanie dotyczące słuszności włączania opcji ochrony baterii - przeciwdziałaniu ładowania akumulatora do 100 proc. dostępnych w niektórych smartfonach, odwołał się do procesów ubocznych będących wynikiem nadmiernego ładowania baterii.
Przy nadmiernym naładowaniu akumulatora może dochodzić do niepożądanych reakcji ubocznych. Z racji na to, że poziom naładowania kontrolowany jest wyłącznie poprzez napięcie na ogniwie, nie wiemy dokładnie kiedy te procesy mogą być zainicjowane. Ładowanie do 80 proc. zabezpiecza nas przed osiągnięciem tej granicy
- zapewnia dr Michał Krajewski.
Ładowanie przez noc to nawyk krzywdzący baterię
Co więcej, efekty nadmiernego ładowania będą się dawać we znaki tym szybciej, im dłużej pozostawiamy telefon naładowany. Najprostszym przykładem długiego ładowania jest pozostawianie telefonu do ładowania na noc. W większości smartfonów ok. dwie godziny wystarczą na naładowanie telefonu od 0 do 100 proc., pozostawiając ok. 5-6 godzin na rozpoczęcie się procesów ubocznych.
Podłączając telefon do ładowania na noc dajemy czas na zajście ubocznych reakcji osadzania litu oraz tworzenia produktów gazowych. W takiej sytuacji rozsądniejsze jest ładowanie akumulatora do 80 proc. naładowania. Kiedy jednak możemy odłączyć telefon od ładowarki, krótko po osiągnięciu pełnego naładowania akumulatora, np. ładując go w ciągu dnia, efekty te powinny być na tyle małe, że ich wpływ na ogólną żywotność baterii może być znikomy
- tłumaczy dr Krajewski.
Może zainteresować cię także:
Bieganie po ładowarkę przy 20 proc.? "Jestem sceptycznie nastawiony"
W tandemie z poradą o zaprzestaniu ładowania powyżej 80-90 proc., zwykle znajdziemy także poradę by "nie rozładować telefonu poniżej 20 proc.". Tu dla wielu osób zaskoczeniem może być fakt, że nasz rozmówca nie zgadza się z tym podejściem.
Jestem dość sceptycznie nastawiony do podłączania do ładowania przy nie mniej niż 20 proc. pojemności. Z chemicznego punktu widzenia w baterii nie powinny zachodzić żadne niepożądane procesy, mogące ograniczyć jej pojemność, a zyskujemy dodatkowe 20 proc. pojemności w każdym cyklu pracy, zanim przejdziemy do kolejnego.
- uważa naukowiec.
Doktor Krajewski sugeruje, że ładowarkę powinno podłączać się po "pełnym lub prawie pełnym rozładowaniu akumulatora".
Przerwanie reakcji i jej zawrócenie po podłączeniu baterii do ładowarki może w pewnych przypadkach powodować zaburzenia w strukturze elektrod i niezdolność do ponownego zmagazynowania czy oddania kationów litowych
- wyjaśnia.
Jak szybkie ładowanie wpływa na baterię smartfona?
W rozmowie poruszyliśmy także kwestię szybkiego ładowania, która nie raz i nie dwa była elementem marketingu wielu smartfonów i co tu dużo mówić: z perspektywy użytkownika im mniej czasu urządzenie jest przywiązane kablem do ściany, tym lepiej. To z perspektywy elektromagnetycznej nie jest aż tak proste, bo za kostki łapie nas prawo Ohma.
Bezpośrednią konsekwencją prawa Ohma oraz faktu, że ładunki w materiałach poruszają się ze skończoną prędkością, jest to, że im większym natężeniem prądu próbujemy ją naładować, tym mniejszą ilość ładunku jesteśmy w stanie zmagazynować w akumulatorze. Biorąc to pod uwagę - jak wyjaśnia naukowiec - w smartfonach i innych urządzeniach przenośnych producenci instalują jednostki BMS (Battery Management System, System Zarządzania Baterią), które kontrolują zarówno napięcie baterii, jak i natężenie prądu pobierane bądź dostarczane do urządzenia.
Podczas procesów szybkiego ładowania, BMS początkowo dostarcza do akumulatora prąd o dużym natężeniu, powodując szybkie naładowanie ogniwa do określonego poziomu, następnie natężenie to jest zmniejszane tak, aby ogniwo naładować w pełni, niwelując efekty związane z ograniczoną prędkością ładunków i prawem Ohma. [...] Dodatkowo, w pracy laboratoryjnej często stosujemy procedurę przyspieszonego starzenia baterii, aby poznać jak długo taki akumulator może pracować. Procedura taka polega właśnie na szybkim ładowaniu i rozładowywaniu baterii
- tłumaczy dr Michał Krajewski.
Dzięki zastosowaniu BMS baterie smartfonów i innych urządzeń przenośnych są w stanie w większym stopniu nie odczuć negatywnych skutków szybkiego ładowania. To także dzięki BMS możliwe jest całkowite wyłączenie szybkiego ładowania z poziomu ustawień niektórych smartfonów.
My jesteśmy ciepłolubni, akumulatory nie
Jednocześnie nie oznacza to, że szybkie ładowanie jest całkowicie bezbolesne dla baterii. Pamiętajmy, że szybkie ładowanie przesyła więcej energii. Więcej energii to większe temperatury, a te już są bezpośrednio szkodliwe dla baterii.
Większość procesów chemicznych i elektrochemicznych jest od temperatury zależna – im wyższa temperatura tym te procesy zachodzą szybciej. Zarówno te pożądane jak i efekty uboczne. Dlatego też odradzałbym stosowanie baterii w bardzo wysokich temperaturach - powyżej 35 stopni Celsjusza. Spowoduje to szybsze zajście reakcji ubocznych wywołujących uszkodzenie urządzenia
- radzi naukowiec.
Korzystanie ze smartfona podczas ładowania? Tak, ale z rozwagą
Inną poradą, z którą często można się spotkać to unikanie korzystania z telefonu podczas ładowania. O ile sprawdzenie godziny, nieprzeczytanych powiadomień czy szybkie wykonanie połączenia raczej nie skrzywdzi naszej baterii, co w przypadku długiej sesji przewijania Instagrama w oczekiwaniu na magiczne 80 proc. na pasku stanu lub łapanie Pokemonów z powerbankiem w kieszeni?
Tu ponownie do akcji wkracza system BMS, dzięki któremu obwód elektryczny łączący baterię z urządzeniem jest przerywany i akumulator jest podłączony wyłącznie do prądu. Jednocześnie BMS przełącza samo urządzenie na osobny obwód, dzięki czemu każda akcja na telefonie której dokonujesz podczas ładowania jest de facto zasilana przez prąd z gniazdka lub powerbanku. Jak wyjaśnia badacz, sam proces ładowania jest odizolowany i nie powinien być zaburzony przez użytkowanie urządzenia.
Aczkolwiek nie jest to równoznaczne z tym, że użytkowanie urządzenia podczas ładowania jest całkowicie wolne od grzechu. Jest wręcz przeciwnie: szybkie ładowanie ponownie u ponownie sprawia, że powracamy do problemu potencjalnego wzrostu temperatury baterii, który przy nagminnym występowaniu może mocno nadwyrężyć ogniwo.
Jeżeli do tego dołączymy procesy szybkiego ładowania, które same z siebie zwiększają nam temperaturę akumulatora, równoczesne korzystanie z urządzenia podczas ładowania może drastycznie zwiększyć temperaturę całego układu, gdzie wszystkie procesy uboczne, wydzielanie gazów i zmiany strukturalne w materiałach elektrodowych będą zachodziły z zauważalną już szybkością, skracając drastycznie żywotność akumulatora a nawet mogąc prowadzić do jego zapłonu bądź eksplozji
- zaznaczył dr Krajewski.
Tak więc użytkowanie telefonu podczas jego ładowania nie jest aż tak szkodliwe, o ile będziemy unikać szybkiego ładowania, zadań mogących doprowadzić do zwiększenia temperatury układu (np. intensywnej sesji z aplikacjami i grami) i odłączymy ładowarkę zanim osiągnie 100 proc. stanu - a najlepiej gdy osiągnie 80 proc.
Ładowanie bezprzewodowe nie takie straszne
Wydawać by się mogło, że porzucenie kabla i zastosowanie wciąż stosunkowo nowego ładowania bezprzewodowego to obciążenie dla baterii. W rzeczywistości jest trochę inaczej.
Bezprzewodowe ładowanie akumulatorów działa na zasadzie zjawiska indukcji Faradaya, gdzie zmienne pole magnetyczne generuje w przewodnikach przepływ prądu przemiennego. W sieci elektrycznej również mamy prąd przemienny, a żeby naładować baterię wymagany jest przepływ prądu stałego. Jedną z ról ładowarek, oprócz oczywistego dostarczenia baterii energii elektrycznej, jest zmiana prądu przemiennego na prąd stały - mówiąc kolokwialnie nasze ładowarki są "prostownikami" prądu.
W przypadku urządzeń mających funkcję ładowania bezprzewodowego, "prostownik" do konwersji prądu przemiennego na prąd stały powinien znajdować się w samym urządzeniu, gdzie pełni dokładnie taką samą funkcję jak w ładowarce przewodowej. W tym kontekście akumulator będzie ładowany dokładnie w taki sam sposób jak w wypadku ładowarki przewodowej i poddany będzie dokładnie tym samym ograniczeniom ładowania
- tłumaczy dr Krajewski.
Formatowanie baterii? Tak, ma sens - ale nie w bateriach litowo-jonowych
Prawdziwym fenomenem końcówki lat 90. i początku lat dwutysięcznych było formatowanie baterii. I niech pierwszy rzuci kamieniem ten, komu konsultant w salonie Ery nie powiedział wprost o "trzykrotnym rozładowaniu do zera i naładowaniu do 100 proc. baterii telefonu". Ten trik nie był zabobonem ani mitem, a prawdziwą praktyką pozytywnie wpływającą na czas eksploatacji baterii telefonu.
Słowo klucz: był. Bowiem obecnie w smartfonach stosowane są baterie litowo-jonowe, podczas gdy w starych telefonach komórkowych można było znaleźć baterie niklowo-kadmowe lub niklowo-wodorkowe, podane na tzw. efekt pamięci ogniwa.
Efekt pamięci ogniwa ograniczał ich pojemność, jeżeli reakcje elektrochemiczne nie były w stanie zajść całkowicie. Wiąże się to z faktem, że reakcje tam zachodzące przebiegają przez wiele procesów pośrednich, często nieodwracalnych. Zatrzymanie niedokończonej reakcji elektrochemicznej i jej zawrócenie powodowało powstanie produktów, które nie mogły być dalej zutylizowane podczas pracy ogniwa, co ograniczało pojemność całego akumulatora
dodaje naukowiec.
Jak powiedział, w przypadku ogniw litowo-jonowych "efekt ten nie występuje w tak dużym stopniu, że przyjęło się iż ogniwo takie w każdej chwili można podłączyć do ładowania". Innymi słowy współcześnie produkowane urządzenia przenośne są właściwie całkowite od efektu pamięci znanego nam z ery pierwszych telefonów komórkowych i praktykowanie formatowania baterii nie ma sensu.