Разбираемся в особенностях литий-ионных аккумуляторов.

Скоро наступят настоящие морозы, а это значит, что каждый день обладатели смартфонов рискуют оказаться с холодным куском железа в руках. Почему так происходит и как правильно заряжать гаджеты? Вместе с кандидатом химических наук Даниилом Иткисом мы разобрались в этих вопросах в рамках научно-популярного проекта «Отвечает Менделеев» от YouTube.

Фото: iphonedigital/Flickr.com CC BY-SA 2.0

Даниил Иткис, кандидат химических наук, старший научный сотрудник МГУ, руководитель лаборатории химических источников тока Федерального исследовательского центра химической физики:

Итак, что же такое аккумулятор и в чём его отличие от батареи? Аккумулятор служит накопителем энергии, которая используется устройствами. Его главное отличие от того, что мы называем «батарейкой» — возможность повторения цикла разряда-заряда. Иными словами аккумулятор можно заряжать, а вот батарея отдает энергию лишь один раз.

В большинстве современных гаджетов используются литий-ионные аккумуляторы. Они выглядят как уплощённая коробочка, внутри которой находится рулон. Рулон сворачивают из двух слоёв металлической фольги, медной и алюминиевой, с нанесенными покрытиями. На медную фольгу нанесен слой графита (материал отрицательного электрода), а на алюминиевую – оксидный материал, содержащий ионы лития и переходных металлов, например, кобальта (положительный электрод). Их разделяет пористая полимерная плёнка, пропитанная электролитом. Во время заряда между электродами создают напряжение, и ионы лития покидают материал положительного электрода, перемещаясь в графит. В его решётке есть полости, куда и встраиваются ионы.

Нобелевскими лауреатами по химии в 2019 году стали трое учёных, внёсших значимый вклад в развитие технологии литий-ионных аккумуляторов: Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингэм и Акиро Ёсино. Фото: Nobel Prize.

Пока гаджет работает, аккумулятор разряжается, а процесс идёт в обратном направлении: ионы лития возвращаются на положительный электрод. Электроны при этом двигаются от одного электрода к другому через внешнюю электрическую цепь. Они совершают полезную работу — передают энергию микросхемам наших гаджетов. 

Первый цикл заряда аккумулятора проходит на заводе изготовителя. В этот момент ионы лития впервые проникают в графитовый электрод, и получается новое химическое вещество с похожей на графит структурой. Но свойства этого вещества совсем не похожи на свойства графита – даже его цвет меняется: с графитового на золотистый. Это соединение вступает в реакцию с электролитом. При этом выделяется газ, а на электроде образуется защитная плёнка, которая не препятствует работе аккумулятора, но в то же время не даёт этой реакции идти дальше. Из-за этого газа аккумулятор надувается. Прямо на заводе его вскрывают, выкачивают газ и повторно герметизируют. Только после этого аккумулятор оказывается в гаджетах и отправляется в магазины.

Если литий-ионный аккумулятор вздулся в процессе эксплуатации или хранения – пользоваться им небезопасно, и такой аккумулятор следует утилизировать. Фото:  Misanthropic One/Flickr.com CC BY 2.0

Так почему смартфоны разряжаются на морозе? Зачастую проблема вовсе не в аккумуляторе, а в программном обеспечении устройства. При низких температурах ионам лития становится всё труднее перемещаться между электродами, и в результате у аккумулятора возрастает внутреннее сопротивление. Из-за этого при работе напряжение внутри аккумулятора падает, хотя уровень заряда остается неизменным. Большинство устройств судит о степени заряда аккумулятора по напряжению. Гаджет считает, что холодный аккумулятор — это то же самое, что и разряженный, поэтому смартфоны так часто отключаются при минусовых температурах. Иногда якобы разрядившийся смартфон, оживает при комнатной температуре и показывает уровень заряда, достаточный для нормальной работы.

Три важных совета, чтобы аккумулятор вашего гаджета оставался безопасным и служил как можно дольше. 

Совет №1: не заряжайте холодный аккумулятор
Конечно же, после неожиданного отключения на морозе хочется как можно скорее его оживить, но делать это ни в коем случае нельзя. Это напрямую связано с процессами, описанными выше. При низкой температуре ионы лития могут не успевать равномерно распределиться в кристаллической решётке графита и вместо этого скапливаются у поверхности. При дальнейшем заряде ионы уже не могут найти свое место и начинают превращаться в металлический литий, который оседает на электроде. Это может закончиться коротким замыканием и даже возгоранием батареи.

Низкие температуры – весьма суровое испытание для аккумулятора смартфона. Фото: Jonathan Grado/Flickr.com CC BY-SA 2.0

Совет №2: используйте оригинальные зарядные устройства
Долгие часы у розетки или балласт в виде внешнего аккумулятора. Знакомо? Каждый из нас хочет, чтобы гаджеты заряжались за секунды, однако увеличение скорости заряда не идёт на пользу аккумулятору. В наиболее энергоёмких аккумуляторах в качестве положительного электрода используются сложные смешанные оксиды, содержащие кобальт, марганец, литий и никель. Количество последнего напрямую влияет не только на энергоёмкость аккумулятора, но и на стабильность его работы. При заряде, когда весь литий переходит в отрицательный графитовый электрод, часть никеля иногда теряется, растворяясь в электролите. При слишком активной зарядке из материала положительного электрода теряется еще и кислород, а это может вызвать возгорание.

При неправильной эксплуатации или повреждениях литий-ионный аккумулятор может представлять серьёзную угрозу. Фото: Jasper Nance/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0

Совет №3: избегайте механических повреждений аккумулятора 
Часто носите телефон в заднем кармане? Это же так удобно! Главное — не садиться на него. Защитная пленка, которая образовалась на электроде при первом заряде, со временем начинает трескаться сама по себе (из-за того, что при работе материалы электродов чуть-чуть меняют свой объем), а механические повреждения только усугубляют ситуацию. Как только пленка треснула, вместо нее при заряде образуется новая. На это расходуется и электролит, и ионы лития. Подвижных ионов лития становится меньше, соответственно, и ёмкость аккумулятора уменьшается.

Заряжайте гаджеты правильно!