Ładowanie do 100 proc. niszczy baterię. Polacy pokazali dowód

Pełna bateria daje większy komfort, ale może mieć swoją cenę. Naukowcy z Warszawy pokazali, co dzieje się z materiałem wewnątrz akumulatora, gdy próbujemy wycisnąć z niego jak najwięcej energii. Wyniki badań pomagają zrozumieć, dlaczego ograniczenie ładowania telefonu do 80 proc. może być dobrym pomysłem.

Wieczorem podłączamy smartfon do ładowarki, a rano chcemy zobaczyć na ekranie upragnione 100 proc. Tymczasem coraz więcej telefonów proponuje ograniczenie ładowania do 80 proc. albo opóźnia osiągnięcie pełnej baterii do momentu, w którym zwykle odłączamy urządzenie od zasilania. Za tym rozwiązaniem stoi chemia, a dokładniej procesy zachodzące wewnątrz akumulatora litowo-jonowego.

Zespół naukowców z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego oraz Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej przyjrzał się temu, jak głębokie ładowanie wpływa na strukturę materiału wykorzystywanego w akumulatorach. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym Small Structures, w pracy o numerze DOI 10.1002/sstr.70589.

Badacze analizowali materiał NMC622, zawierający lit, nikiel, mangan i kobalt. Jest on stosowany w katodach akumulatorów litowo-jonowych, czyli jednej z dwóch elektrod, pomiędzy którymi przemieszczają się jony litu podczas ładowania i rozładowywania. Eksperyment pokazał, że wydobywanie z katody coraz większej ilości litu może prowadzić do odkształceń, a nawet pęknięć jej struktury. To ważna wskazówka dla zrozumienia, dlaczego sposób ładowania wpływa na żywotność baterii.

Akumulator litowo-jonowy nie jest zwykłym pojemnikiem, odpowiednikiem baku na paliwo w samochodzie, który można zalać bez problemu do pełna. To układ chemiczny, w którym podczas ładowania i rozładowywania przemieszczają się jony litu, a w elektrodach zachodzą zmiany na poziomie atomowym.

Gdy podłączamy telefon do ładowarki, jony litu opuszczają katodę i przemieszczają się w kierunku drugiej elektrody, czyli anody. Po odłączeniu urządzenia i rozpoczęciu korzystania ze smartfona proces przebiega w przeciwną stronę. Ruch jonów umożliwia magazynowanie energii i jej późniejsze wykorzystanie do zasilania ekranu, procesora, aparatu czy modułów łączności.

W przypadku badanego materiału NMC622 jony litu zajmują przestrzenie pomiędzy warstwami zbudowanymi z atomów metali i tlenu. Kiedy lit opuszcza katodę, zmieniają się odległości między tymi warstwami.

Im mocniej ładujemy akumulator, tym więcej litu może zostać usuniętego z katody. Materiał musi wówczas poradzić sobie z coraz większymi zmianami swojej struktury. Jeżeli lokalne naprężenia stają się zbyt duże, mogą pojawić się uszkodzenia.

Aby sprawdzić, jak zmienia się badany materiał, naukowcy przygotowali laboratoryjne ogniwa i zatrzymywali je na wybranych etapach pracy. Następnie rozbierali je, a uzyskane elektrody analizowali przy użyciu kilku metod badawczych.

Światło rozproszone przez materiał pozwalało obserwować lokalne zmiany strukturalne. Promieniowanie rentgenowskie dostarczało informacji o rozmieszczeniu atomów, natomiast mikroskopy elektronowe umożliwiały bezpośrednie oglądanie uszkodzeń. Połączenie tych technik dało badaczom możliwość prześledzenia zmian, których nie da się zobaczyć gołym okiem ani ocenić na podstawie samego wskaźnika baterii na ekranie.

Okazało się, że katoda nie ładuje się idealnie równomiernie. Poszczególne fragmenty materiału mogą znajdować się w nieco innym stanie, a ich struktura reaguje na zmiany w odmienny sposób. W trakcie głębokiego ładowania warstwy kryształu przesuwały się, obracały i wyginały. W rezultacie w materiale powstawały naprężenia, które w pewnych warunkach prowadziły do pęknięć.

Szczególnie interesujące okazało się porównanie wyników uzyskanych po 50 cyklach pracy ogniwa przy różnych górnych potencjałach katody.

Wiele osób zauważa, że po roku lub dwóch telefon nie wytrzymuje już tak długo bez ładowarki jak w dniu zakupu. To naturalny skutek starzenia się akumulatora, na który wpływają zarówno reakcje chemiczne, jak i zmiany mechaniczne zachodzące w jego wnętrzu.

Wraz z eksploatacją ogniwa mogą tracić zdolność do przechowywania takiej ilości energii jak na początku. Telefon, który dawniej bez problemu wytrzymywał cały dzień, zaczyna domagać się ładowania już po południu.

Na kondycję baterii wpływa wiele czynników. Znaczenie ma liczba cykli ładowania, temperatura, skład chemiczny elektrod oraz sposób sterowania procesem ładowania. Badania warszawskich naukowców skupiały się na zmianach strukturalnych katody i wpływie głębokiego ładowania, nie wyznaczają więc jednego uniwersalnego przepisu na maksymalne wydłużenie życia każdego akumulatora.

Tłumaczą natomiast, dlaczego wykorzystywanie całej dostępnej pojemności przy każdym ładowaniu nie musi być najlepszą strategią. W pewnych warunkach dodatkowa energia dostępna tu i teraz może oznaczać szybsze zużywanie się materiału, który odpowiada za jej magazynowanie.

Jeśli smartfon oferuje możliwość ustawienia limitu ładowania na 80 proc., warto rozważyć skorzystanie z tej funkcji. Nie oznacza to, że naładowanie baterii do 100 proc. jest błędem albo że po przekroczeniu określonego poziomu akumulator zaczyna się natychmiast niszczyć. Chodzi o ograniczenie czasu spędzanego w stanie wysokiego naładowania i zmniejszenie obciążenia ogniwa w codziennym użytkowaniu.

Wyobraźmy sobie, że telefon zużywa w ciągu dnia około 60 proc. swojej pojemności. Jeśli rano odłączymy go od ładowarki przy 100 proc., wieczorem teoretycznie pozostanie nam około 40 proc. energii. Przy limicie 80 proc. zostanie około 20 proc. W obu przypadkach urządzenie może wystarczyć na cały dzień, ale w drugim scenariuszu nie wykorzystujemy maksymalnej pojemności akumulatora.

Oczywiście rzeczywiste zużycie zależy od jasności ekranu, zasięgu sieci, uruchomionych aplikacji, temperatury i wielu innych czynników. Przykład pokazuje jednak, że nie zawsze potrzebujemy pełnego naładowania, aby komfortowo korzystać z telefonu.

Jeżeli 80 proc. wystarcza nam od rana do wieczora, pozostawienie niewykorzystanej części pojemności może być rozsądnym kompromisem. Jeśli natomiast czeka nas długa podróż, dzień intensywnej pracy albo wielogodzinne korzystanie z nawigacji, pełne naładowanie będzie jak najbardziej uzasadnione.

Nie ma potrzeby traktowania wskaźnika baterii jak pola minowego. Ważniejsze od obsesyjnego pilnowania każdej wartości jest wypracowanie sposobu ładowania, który odpowiada naszym potrzebom i ogranicza niepotrzebne obciążanie akumulatora.

Część smartfonów oferuje także ładowanie adaptacyjne lub zoptymalizowane. W takim przypadku urządzenie uczy się typowych godzin ładowania i może zatrzymać proces na niższym poziomie, a następnie uzupełnić brakującą energię tuż przed zwyczajowym odłączeniem od zasilania.

Dlaczego to pomaga? Akumulator pozostaje krócej w stanie pełnego naładowania, zamiast osiągnąć 100 proc. krótko po podłączeniu wieczorem i utrzymywać ten poziom przez wiele godzin.

Pojemniejszy akumulator może ułatwić dbanie o kondycję telefonu. Jeśli urządzenie ma większy zapas energii, przy takim samym dziennym zużyciu łatwiej ograniczyć zakres ładowania i nadal korzystać ze smartfona do wieczora.

Liczy się również materiał, z którego wykonano elektrody, konstrukcja ogniwa, temperatura pracy i oprogramowanie kontrolujące ładowanie. Sama pojemność nie rozwiązuje wszystkich problemów związanych ze starzeniem akumulatora.

Badania zespołu z Uniwersytetu Warszawskiego i Politechniki Warszawskiej pomagają lepiej zrozumieć fizyczne podłoże tych procesów. Pokazują, że katoda nie jest nieruchomym elementem, lecz strukturą reagującą na przemieszczanie jonów litu. Gdy próbujemy wydobyć z niej więcej energii, jej wewnętrzna budowa może doświadczać coraz większych naprężeń, a część powstałych uszkodzeń może pozostać nawet po kolejnym rozładowaniu.

Główna ilustracja wygenerowana przez AI.