Статья расскажет о том, как можно продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов.
Примечание, конец 2019 год. Методика, изложенная в этой статье, действительно работает, это проверено автором в течении 3-х лет, на дешевом китайском смартфоне (Uhans A101). В течении этих 3-х лет батарея заряжалась по этой методике и эта батарея до сих пор жива. Хотя, конкретно в этой модели смартфона, батареи едва ли год выдерживали. Методика проверена еще и на планшете с батареей в 4000 мАч - в течении более чем 2х лет признаков деградации не наблюдается.
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.
Этот разрушительный фактор начинает действовать уже на этапе зарядки. Обычно алгоритм зарядки состоит из двух этапов:
- Первый этап - зарядка с постоянным током и повышающимся до максимального напряжением.
- 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 быстро 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 можно рассматривать почти любой современный смартфон, от самых дешевых до дорогих. Несколько примеров:
- Uhans A101, стоимость в районе 50 долларов. 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.
- Xiaomi Redmi 7A, стоимость в районе 100 долларов. У него емкость батареи 4000 мАч. И при 100% заряда напряжение на батарее 4.37 вольта. А при напряжении 3.9 вольта, эта батарея имеет примерно 55% своей паспортной емкости.
- Samsung Galaxy A50, , стоимость более 200 долларов. При полном заряде (4000 мАч), напряжение тоже выше 4.3 вольт (4.33 вольта). А напряжение 3.9 вольта достигается примерно на 60% заряда.
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.
На скриншоте показания напряжения на батарее планшета. Емкость батареи 4000 мАч, однако по своим габаритам и весу эта батарея не имеет ничего общего, с батареями 4000 мАч, которые ставят в смартфоны. Она сама размером почти в смартфон и весом как смартфон. И то, что это совсем другая батарея видно по вольтажу, при 51% заряда, напряжение всего лишь 3.78 вольт.
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 до 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 относительно 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.
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. В 2019 году не редкость зарядные устройства с током зарядки 4 Ампера. Даже если такой ток (4 Ампера) используется на емкой батарее, например 4000 мАч и соотношение не превышает 1С, все равно безболезненно это не проходит.
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:
- Напряжение батареи выше 4.2 вольта. В действительности деградация начинается при напряжении 3.9 вольт, но после 4.2 вольта она резко прогрессирует.
- Ток зарядки выше 1С.
- Температура батареи выше 30 градусов.
- 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, 2016, 2017, 2019