В статье авторы рассматривают влияние различных условий работы аккумуляторов мобильного устройства на его работоспособность и износ. Рассматриваются такие факторы, как интенсивность использования, календарный срок эксплуатации, температуры окружающей среды и механические воздействия.
Ключевые слова: аккумулятор, дендриты, износ, безопасность, эксплуатация.
Я учусь в пятом классе и, как и все мои сверстники, не прочь в свободное время поиграть на телефоне или планшете в любимые игры. Как-то раз во время игры мой телефон очень сильно нагрелся. Так и ведь и до беды не далеко. Мне стало интересно, почему телефон разогрелся и к чему это может привести. Оказалось, в каждом нашем портативном устройстве (гаджете) есть аккумулятор, который оказался уж не таким простым и безопасным. Поэтому я решила во всем разобраться основательно.
Что такое «аккумулятор»? Устройство и принцип работы аккумулятора
Чтобы наши устройства работали долгое время, в их конструкции имеется источник энергии, который мы можем заряжать от внешней сети (розетки) с помощью специального зарядного устройства. Этим источником является электрохимический гальванический элемент. Без него наши устройства работать не будут.
Аккумулятор еще называют гальваническим элементом. Все гальванические элементы делятся на батареи (неперезаряжаемые источники) и аккумуляторы (перезаряжаемые).
Аккумулятор — это химический источник тока многоразового действия, который может быть вновь заряжен после разряда.
Аккумулятор при работе отдает энергию, накопленную в химических связях входящих в него элементов. В мире существует большое количество различных аккумуляторов, и все мы их так или иначе используем. Но технический бум человечество ощутило лишь при изобретении литийионных аккумуляторов в конце ХХ века. Сейчас они повсеместно внедрились в нашу жизнь и используются от фонариков и телефонов до больших аккумуляторов на электробусах, самолетах и кораблях.
Данные аккумуляторы по сравнению с другими имеют колоссальные преимущества, такие как более высокое выдаваемое напряжение и более высокая запасаемая ёмкость (энергия) и мощность.
Напряжение — разность потенциалов между электродами, показывает, с какой силой аккумулятор толкает электроны во внешнюю сеть.
Емкость — это ток, который может аккумулятор выдать в течение часа до полной разрядки, определяет энергию, запасенную в аккумуляторе.
Литийионные аккумуляторы все же не являются идеальными источниками энергии и не могут составить конкуренцию нефти и газу. Поэтому ученые и инженеры постоянно работают над усовершенствованием конструкции и поиском новых активных материалов. Но принцип их работы одинаков.
В зависимости от назначения аккумуляторы бывают различной формы (рисунок 1): цилиндрические, призматические, в виде пакета (pouch).
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 1 . Геометрические формы аккумулятора : а — цилиндрическая, б — призматическая, в — в виде пакетика (pouch)
В независимости от геометрической формы устройство всех аккумуляторов схоже. В нем имеются два электрода: катод (положительный электрод), обозначенный знаком «+», и анод (отрицательный электрод), обозначенный знаком «-» (рисунок 2) [1]. Катод, как правило, изготавливают из тонкой чистой алюминиевой фольги, а анод из медной. На фольгу наносится специальным образом активный материал, содержащий полезные ионы лития. Если мы начинаем использовать, например, телефон, то электроны перемещаются от анода к катоду по внешней цепи, совершая полезную работу на питание электроники. Но это возможно лишь тогда, когда в аккумуляторе смогут перемещаться между электродами ионы лития. Для этого в нем должна иметься соответствующая среда — электролит. Чтобы не произошло контакта между катодом и анодом и не было короткого замыкания, между ними имеется соответствующий разделитель — сепаратор.
Рис. 2 Устройство литийионного аккумулятора
При разряде ионы в аккумуляторе перемещаются от анода к катоду, восстанавливая необходимую разность потенциалов на электродах, компенсируя перемещение электронов. При подзарядке электроны по внешней цепи от катода перемещаются к аноду, а ионы совершают тот же путь, но в электролите [1].
Рис. 3 . Разряд аккумулятора
Рис. 4 . Подзарядка аккумулятора
Как различные факторы влияют на работоспособность аккумуляторов
Теперь стоит разобраться с тем, как и что влияет на работоспособность аккумулятора. Для этого необходимо провести ряд сравнительных исследований.
В начале необходимо понять, как влияет интенсивность эксплуатации. Для этого были проведены замеры остаточной ёмкости аккумулятора мобильного телефона в 2 случаях использования. В первом случае я на телефоне играла, во втором — телефон находился в покое. Ёмкость определялась по показаниям экранного сигнализатора (таблица 1).
Таблица 1
Влияние интенсивности использования
|
Время |
Использовался |
Не использовался |
|
0 мин. |
71 % |
89 % |
|
30 мин. |
65 % |
89 % |
|
60 мин. |
61 % |
89 % |
|
Разряд |
10 % |
0 % |
В первом случае за 1 час использования аккумулятор разрядился на 10 % по сравнению со вторым случаем (рисунок 5). Было также определено, что при низком проценте заряда аккумулятор имел большую скорость разряда.
Рис. 5. Влияние интенсивности использования на степень разряженности аккумулятора
Для определения влияния отрицательных температур на аккумулятор телефон был помещен в морозильную камеру с температурой минус 16 С° (рисунок 6). Экспериментальные данные приведены в таблице 2.
|
|
|
Рис. 6. Мобильный телефон в морозильной камере
Таблица 2
Влияние низких температур
|
Время, мин |
Уровень заряда, % |
|
0 |
83 |
|
15 |
81 |
|
30 |
77 |
|
45 |
72 |
|
60 |
69 |
Из таблицы видно, что при отрицательных температурах ёмкость аккумулятора снижается. При этом у электролита увеличивается сопротивление перемещению ионов.
То, как воздействуют высокие температуры, исследовалось путём помещения телефона на батарею центрального отопления сразу после его заморозки (рисунок 7). Экспериментальные данные приведены в таблице 3.
Рис. 7 . Телефон под воздействием высоких температур
Таблица 3
Влияние положительных температур
|
Время, мин |
Уровень заряда, % |
|
0 |
69 |
|
15 |
71 |
|
30 |
76 |
|
45 |
80 |
|
60 |
82 |
По данным измерений видно, что ёмкость аккумулятора самопроизвольно выросла. При этом снижается сопротивление электролита и увеличивается подвижность ионов. Поэтому крайне важно следить за устройствами, находящимися на подзарядке, особенно вблизи источников тепла и нагревательных устройств. Т. к. в этом случае может произойти перезаряд и резкое повышение температуры аккумулятора.
На графиках (рисунок 8) наглядно проиллюстрировано влияние температуры окружающей среды.
Рис. 8. Влияние температуры окружающей среды
Очевидно, что вещества, входящие в состав отдельных частей аккумулятора, со временем могут изменять свои свойства. Первым кандидатом для этого является электролит. Для того, чтобы посмотреть, как срок использования влияет на степень износа аккумулятора, проведено наблюдение за уровнем разряда 2 аккумуляторов (таблица 4).
Таблица 4
Влияние срока использования аккумулятора
|
Время наблюдения |
Новый Менее года |
Старый 4 года |
|
15:00 |
79 % |
93 % |
|
21:00 |
77 % |
83 % |
|
Саморазряд |
2 % |
10 % |
Исходя из представленных данных, видно, что срок использования пагубно сказывается на свойствах аккумулятора.
Также важно понять, как может сказаться то или иное механическое воздействие на аккумулятор. Такими воздействиями могут быть удар, сминание, прокалывание и др. Под их действием просто-напросто может произойти короткое замыкание электродов, разогрев и в последствии пожар (рисунок 9).
Рис. 9. Тест на протыкание аккумулятора
Такие исследования в домашних или школьных условиях провести не представляется возможным, так как требуется специальное оборудование. Однако был изучен мировой опыт исследования данного вопроса. Все аккумуляторы подвергают данному тестированию, и те, которые не выполняют норм безопасности, не допускают к эксплуатации. Однако не следует подвергать свои устройства палениям, ударам и тем более их протыкать.
Чем же опасны аккумуляторы?
Из данных, приведенных выше, можно судить о том, что на аккумулятор оказывает влияние интенсивность его эксплуатации, температура окружающей среды, механические воздействия и просто календарный срок его использования. Но как же аккумуляторы могут быть нам опасны?
При неправильном использовании в них происходят необратимые процессы, которые могут привести к повышению температуры и давления внутри аккумулятора и последующему возгоранию [2].
Если устройство эксплуатируется при низких температурах, ионы лития не могут внедриться в кристаллическую решетку катода, тем самым налипая на нем, образую иглы (дендриты) [3, 4]. Скорость роста усугубляет интенсивность использования, так как ионы просто-напросто не успевают внедряться и закупоривают поры электрода. Если при низких температурах заряжать, то иглы начинают расти на аноде. Если дендриты будут большими, то они могут спровоцировать короткое замыкание, что влечет за собой резкий разогрев, повышение давления с последующим возгоранием и взрывом. Высокая температура может спровоцировать все эти процессы, так как снижается сопротивление электролита. Особенно это опасно при полном заряде аккумулятора, так как, мы видели, ёмкость начинает самопроизвольно расти. Поэтому не следует оставлять устройства долго подключенными к зарядке и особенно под действием источников тепла. Отдельное внимание следует уделять работе старых аккумуляторов, так как в них уже начат рост дендритов и процессы старения материалов. О вреде механических воздействий уже сказано выше, и следует категорически их избегать.
Рекомендации по правильному использованию устройств оснащенных аккумуляторами
Для того, чтобы использовать устройство безопасно и продлить срок его службы, необходимо следовать нехитрым рекомендациям:
- НЕ разряжайте аккумулятор сильно. Не более чем до 30–40 %
- НЕ подвергайте аккумулятор низким температурам.
- НЕ подвергайте аккумулятор высоким температурам.
- НЕ подвергайте аккумулятор высоким токам заряда и разряда.
- НЕ подвергайте аккумуляторы механическим воздействиям.
Литература:
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Литийионный_аккумулятор
- https://habr.com/ru/post/372703/
- https://habr.com/ru/post/123246/
- Tianyu Li., Xiao‑Zi Yuan., Lei Zhang., Datong Song., Kaiyuan Shi., Degradation Mechanisms and Mitigation Strategies of Nickel‑Rich NMC‑Based Lithium‑Ion Batteries. Electrochemical Energy Reviews (2020) 3. С. 43–80.
