Évek óta folyik a vita az akkumulátorok töltéséről és gondozásáról. Mindenki a lehető leghosszabb ideig szeretné használni az okostelefonját, és nincs bizonyíték arra, hogy az akkumulátor töltésének 80 százalékra korlátozása hatékony lenne. Dr. Michał Krajewskivel, a Varsói Egyetem Kémiai Tanszékének munkatársával tisztázzuk a mobileszközök lítium-ion akkumulátorai körüli tényeket, mítoszokat és jelenségeket.
Az okostelefonok piacán egy érdekes szakaszba érkeztünk, ahol gyakrabban cseréljük az akkumulátorokat, mint magukat az okostelefonokat. Vagy magukat az akkumulátorokat cseréljük le, és néhány évig maradunk ugyanannál a készüléknél, vagy pedig egy kicsit drágább utat választunk, és a meglévő okostelefonunkat lecseréljük egy új készülékre, „nos, mert ha az akkumulátort ki kell cserélnem, akkor egy kicsit többet adok hozzá, és veszek egy új okostelefont”. Nem meglepő tehát, hogy az akkumulátor cseréjével járó pluszköltségek elkerülésének legjobb módja, ha egyszerűen jó állapotban tartjuk.
Bár mindenki tudja, hogyan kell vigyázni egy okostelefonra, hogy a tokja ne úgy végezze, mint Matthew Nowak szerkesztőségi kolléga iPhone 15-je, a jó gyakorlat az okostelefonok akkumulátorait jelentő rejtélyes fizikai és kémiai egységek körül még mindig rejtély. Ez viszont rengeteg mítoszhoz és többé-kevésbé hasznos tanácshoz járult hozzá, amelyeket Dr. Michał Krajewskivel, a Varsói Egyetem munkatársával együtt áttekintettünk.
Ahhoz, hogy megértsük bizonyos töltési szokások értelmét (vagy értelmetlenségét), először is meg kell értenünk az akkumulátort
Megkerestük Dr. Michal Krajewskit a Varsói Egyetem Kémiai Tanszékéről, aki az elektrokémia szakértője, és különösen a lítium-ion és nátrium-ion akkumulátorok iránt érdeklődik. Aki jelenleg egy, a Nemzeti Tudományos Központ által finanszírozott kutatási projektet vezet. Dr. Krajewski az elmúlt évtizedben több mint egy tucat kutatási tanulmányt publikált a lítium akkumulátorokról. Négy szabadalommal és szabadalmi bejelentéssel rendelkezik az akkumulátorokkal kapcsolatban.
Dr. Michał Krajewski a Varsói Egyetem Kémiai Karának Elektrokémiai Energiaforrások Laboratóriumában végzi napi kutatásait. Itt kutatócsoportjával együtt lítium-, nátrium- és ólom-sav cellákat, valamint hidrogéntároló rendszereket tanulmányoz.
A Spider’s Webnek nyilatkozva a tudós először lépésről lépésre elmagyarázta a lítium-ion akkumulátorok működésének, felépítésének és töltésének minden aspektusát.
A lítium-ion akkumulátor fő szerkezeti eleme a két elektróda: egy negatív és egy pozitív elektróda. Az elektródák közötti rövidzárlat elkerülése érdekében az elektródákat elválasztóelem választja el egymástól. A szeparátor viszont elektrolittal telített – ez zárja le az elektromos áramkört, de biztosítja az elektromos töltés szállítását is az elektródák között. Az akkumulátor működése során az egyes elektródokon elektrokémiai oxidációs és redukciós folyamatok zajlanak. E folyamatok révén az akkumulátorból energia szabadulhat fel (például az okostelefon számára szükséges áramot biztosítva) vagy tárolható (az akkumulátor töltése).
Az akkumulátorok az elektródák szigorúan meghatározott elektromos potenciálján épülnek fel – cellánként külön-külön (mivel ezek két ellentétes pólust képviselnek: pozitív és negatív). A potenciálkülönbség feszültséget eredményez, ami viszont a számunkra kívánt áramot eredményezi.
Bedugja a töltőt – mi történik a motorháztető alatt?
Ahogy Dr. Krajewski elmagyarázza, a lítium-ion akkumulátor felépítésének és működésének megértése már fél siker. A másik fele ugyanis az akkumulátor töltési folyamatának megértése.
Amikor a töltőt a telefonhoz csatlakoztatjuk, a pozitív elektródán oxidációs folyamat indul meg – elektromos potenciálja megnő. A negatív elektródán viszont redukciós folyamat zajlik – a potenciálja csökken. Ez viszont növeli az akkumulátoron átmenő feszültséget, ami azt eredményezi, hogy a töltésből származó energia az akkumulátorban tárolódik.
Amikor az akkumulátor kisül, ezt lemerülő sávnak és drámai bejelentéseknek látjuk. Dr. Krajewski szemszögéből nézve egyszerűen a fordított folyamat játszódik le: a rendszeren (akkumulátoron) mért feszültség csökken, mert a készülék elfogyasztotta a cellában tárolt energiát.
Nem csak töltésről és kisütésről van szó. Mellékfolyamatok degradálják az akkumulátorainkat
Az átlagos okostelefon-felhasználó (vagy bármely más, lítium-ion akkumulátorral működő eszköz) szemszögéből nézve két folyamatnak lehetünk tanúi: a töltésnek és a kisütésnek. Azonban, ahogy a tudós elmagyarázza, az akkumulátorban lévő számos kémiai vegyület miatt olyan mellékfolyamatok is végbemehetnek, amelyek károsan befolyásolják a cellakomponenseket.
A negatív elektródon elsősorban grafitot találunk, míg a pozitív elektródon az átmeneti fémek – elsősorban a kobalt, a nikkel és a mangán – oxidjai uralkodnak. Az akkumulátor töltése során ezek az elemek és kémiai vegyületek azok, amelyeknél a legnagyobb valószínűséggel tapasztalhatók mellékfolyamatok.
A grafit esetében a mellékfolyamat – a grafitelektródon belüli lítiumfelhalmozódás helyett – a grafitelektród felületén történő lítiumlerakódás. Ily módon a lítium lekopik, és többé nem képes elektromos töltést szállítani.
Az átmeneti fémoxidok esetében viszont a töltés során növekvő potenciál két folyamat egyikéhez vezethet. Az első az oxigén felszabadulása az elektróda anyagából, ami az akkumulátor szivárgásához és megrepedéséhez vezethet. A második folyamat, ha a pozitív elektród potenciálja túl magas értéket ér el, magának az elektrolitnak a bomlása kezdődik meg. Ez a bomlás gázok felszabadulását okozza, amelyek mechanikusan károsíthatják a cellát, levegővel érintkezve pedig gyulladást okozhatnak.
Laboratóriumi rendszerekben a két elektróda potenciálja szabadon szabályozható egy további referenciaelektród elhelyezésével a készülékben, így mindig tudjuk, hogy mi történik mindkét elektródán. A kereskedelmi rendszerekben azonban általában nem alkalmaznak ilyen eljárást, és az akkumulátor állapotának szabályozását csak feszültségmérésekkel szabályozzák, ami nem ad információt az egyes elektródák állapotáról és az azokon lejátszódó folyamatokról.
– magyarázza Dr. Michal Krajewski.
„Ne töltsük az akkumulátorokat 80 százalék fölé”. – Mennyi igazság van ebben?
Az akkumulátorok kialakításának és működésének természetéből adódóan minden egyes tényező: például a készülék használatának módja, a működés jellemzői (pl. a képernyő fényereje ugyanazon tevékenység során), a működési hőmérséklet vagy a töltéshez használt módszerek befolyásolják az akkumulátor élettartamát. Dr. Michal Krajewski azonban nem tudta meghatározni, hogy melyik tényező a meghatározó. Mivel véleménye szerint „minden a készülék használatának általános módjától függ”.
Minden akkumulátor, még a leghatékonyabb is, ciklusról ciklusra veszít a maximális kapacitásából. Ezt a termodinamika második törvénye diktálja, amely alól nincs menekvés – az eszközbe táplált energia mindig el fog veszíteni valamennyit.
– magyarázza a tudós.
Véleménye szerint az akkumulátor 80 százalékon túli töltése. „bizonyos körülmények között az akkumulátor meghibásodásához vezethet”. A kutató arra a kérdésünkre válaszolva, hogy célszerű-e bekapcsolni az egyes okostelefonokon elérhető – az akkumulátor 100 százalékosra töltését ellensúlyozó – akkumulátorvédelmi opciót, utalt az akkumulátor túltöltéséből eredő mellékfolyamatokra.
Az akkumulátor túltöltésekor nemkívánatos mellékhatások léphetnek fel. Mivel a töltés szintjét csak a cellán lévő feszültség szabályozza, nem tudjuk pontosan, hogy mikor indulhatnak be ezek a folyamatok. A 80 százalékos töltés megvéd minket attól, hogy elérjük ezt a határt.
– állítja Dr. Michał Krajewski.
A túltöltés olyan szokás, amely árt az akkumulátornak
Ráadásul a túltöltés hatásai annál gyorsabban jelentkeznek, minél tovább hagyjuk feltöltve a telefont. A legegyszerűbb példa a hosszú töltésre, ha a telefont éjszakára töltve hagyjuk. A legtöbb okostelefon esetében körülbelül két óra elegendő ahhoz, hogy a telefon 0-ról 100 százalékra töltődjön, így körülbelül öt-hat óra marad a mellékfolyamatok beindulására.
Ha a telefont éjszakára bedugjuk a konnektorba töltésre, időt adunk a lítium lerakódásának és a gáznemű termékek képződésének mellékreakcióira. Ebben a helyzetben célszerűbb az akkumulátort 80 százalékos töltöttségi szintre tölteni. Ha azonban a telefont röviddel az akkumulátor teljes töltöttségének elérése után le tudjuk választani a töltőről, például napközbeni töltéssel, akkor ezek a hatások elég kicsik ahhoz, hogy az akkumulátor teljes élettartamára gyakorolt hatásuk elhanyagolható legyen.
– magyarázza Dr. Krajewski.
Futás a töltőért 20 százalékon? Szkeptikus vagyok”.
A 80-90 százalék feletti töltés leállítására vonatkozó tanáccsal párhuzamosan általában azt a tanácsot is megtaláljuk, hogy „ne töltse le a telefont 20 százalék alatt”. Itt sokak számára meglepő lehet, hogy interjúalanyunk nem ért egyet ezzel a megközelítéssel.
Eléggé szkeptikus vagyok azzal kapcsolatban, hogy a töltéshez nem kevesebb, mint 20 százalékos töltöttségi szinten kell bedugni a konnektorba. Kémiai szempontból nem szabad, hogy olyan nemkívánatos folyamatok játszódjanak le az akkumulátorban, amelyek csökkenthetik a kapacitását, és minden egyes működési ciklusban plusz 20 százalékos kapacitást nyerünk, mielőtt a következőre lépnénk.
– véli a tudós.
Dr. Krajewski azt javasolja, hogy a töltőt akkor kell csatlakoztatni, amikor az akkumulátor „teljesen vagy majdnem teljesen lemerült”.
A reakció megszakítása és visszakapcsolása az akkumulátor töltőhöz való csatlakoztatása után bizonyos esetekben az elektródok szerkezetének megzavarodását okozhatja, és a lítium-kationok újratárolásának vagy adományozásának képtelenségét okozhatja
– magyarázza.
Hogyan hat a gyorstöltés egy okostelefon akkumulátorára?
A beszélgetés során kitértünk a gyorstöltésre is, amely számos okostelefon marketingjének része volt már nem egyszer és nem kétszer, és mit mondjunk: felhasználói szempontból minél kevesebb ideig van a készülék egy kábellel a falhoz kötve, annál jobb. Elektromágneses szempontból nem ilyen egyszerű a helyzet, hiszen Ohm törvénye bokánál fogva fogva tart bennünket.
Ohm törvényének és annak a ténynek a közvetlen következményeként, hogy a töltések az anyagokban véges sebességgel mozognak. Minél nagyobb árammal próbáljuk feltölteni őket, annál kevesebb töltést tudunk tárolni az akkumulátorban. Ezt szem előtt tartva – magyarázza a kutató – a gyártók BMS (Battery Management System) egységeket építenek az okostelefonokba és más mobileszközökbe. Amelyek mind az akkumulátor feszültségét, mind pedig a készülék által felvett, illetve a készülékbe táplált áram mennyiségét figyelik.
A gyorstöltés során a BMS először nagy áramot táplál az akkumulátorba, ezzel kényszerítve a cellát, hogy gyorsan feltöltődjön egy bizonyos szintre. Ezután pedig az áramot csökkenti, hogy teljesen feltöltse a cellát, ellensúlyozva a korlátozott töltési sebesség és Ohm törvényének hatását. Ezen túlmenően az akkumulátor gyorsított öregedését gyakran használják laboratóriumi munkák során, hogy képet kapjanak arról, hogy egy ilyen akkumulátor mennyi ideig fog kitartani. Egy ilyen eljárás pontosan az akkumulátor gyors töltésén és kisütésén alapul.
– magyarázza Dr. Michał Krajewski.
A BMS-nek köszönhetően az okostelefonok és más mobileszközök akkumulátorai jobban el tudják kerülni a gyorstöltés negatív hatásait. A BMS-nek köszönhető az is, hogy egyes okostelefonok beállításaiból teljesen ki lehet kapcsolni a gyorstöltést.
Mi hőimádók vagyunk, az akkumulátorok nem
Ez ugyanakkor nem jelenti azt, hogy a gyorstöltés teljesen fájdalommentes az akkumulátor számára. Ne feledjük, hogy a gyors töltés több energiát küld. A több energia magasabb hőmérsékletet jelent, és ezek már közvetlenül károsak az akkumulátorra.
A legtöbb kémiai és elektrokémiai folyamat hőmérsékletfüggő – minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban mennek végbe ezek a folyamatok. Mind a kívántak, mind a mellékhatások. Ezért azt tanácsolnám, hogy ne használjuk az akkumulátorokat nagyon magas hőmérsékleten – 35 Celsius-fok felett. Ez azt eredményezi, hogy a mellékreakciók gyorsabban lépnek fel, ami károsíthatja az eszközt.
– tanácsolja a tudós.
Töltés közben okostelefont használ? Igen, de óvatosan
Egy másik gyakori tipp, hogy ne használja a telefonját töltés közben. Az idő ellenőrzése, az olvasatlan értesítések vagy egy gyors hívás valószínűleg nem károsítja az akkumulátort. De mi a helyzet az Instagram görgetésével, miközben az állapotsoron a bűvös 80 százalékra vársz, vagy a zsebedben lévő powerbankkal Pokémonokat fogsz?
Itt jön ismét a képbe a BMS: amikor az akkumulátort a készülékkel összekötő elektromos áramkör megszakad, és az akkumulátor csak az áramforráshoz csatlakozik. Ugyanakkor a BMS magát a készüléket is külön áramkörhöz kapcsolja. Így a telefonon töltés közben végzett minden művelet de facto a konnektorból vagy powerbankból származó árammal működik. Mint a kutató kifejti, maga a töltési folyamat elszigetelt, és nem függhet a készülék használatától.
Ez azonban nem jelenti azt, hogy a készülék használata töltés közben teljesen bűntelen. Éppen ellenkezőleg, a gyorstöltés visszahozza az akkumulátor hőmérsékletének esetleges növekedésének problémáját. Ami komoly megterhelést jelenthet a cellának, ha ez ismételten előfordul.
Ha ehhez hozzávesszük a gyors töltési folyamatokat, amelyek önmagukban is növelik az akkumulátor hőmérsékletét, akkor a készülék egyidejű használata töltés közben drámaian megnövelheti az egész rendszer hőmérsékletét. Ahol már minden mellékfolyamat, a kiáramlás és az elektróda anyagában bekövetkező szerkezeti változások észrevehető ütemben fognak bekövetkezni. Ez drámaian lerövidíti az akkumulátor élettartamát, sőt, akár kigyulladást vagy robbanást is okozhat.
– jegyezte meg Dr. Krajewski.
A telefon töltés közbeni használata tehát nem olyan káros, amennyiben kerüljük a gyorstöltést, a rendszer hőmérsékletét növelő feladatokat (pl. az alkalmazások és játékok intenzív használatát), és a töltőt még azelőtt lekapcsoljuk, hogy elérné a 100 százalékot – vagy lehetőleg akkor, amikor eléri a 80 százalékot.
A vezeték nélküli töltés nem is olyan szörnyű
Úgy tűnik, hogy a kábel elhagyása és a még viszonylag új vezeték nélküli töltés használata megterheli az akkumulátort. A valóságban ez némileg másképp van.
A vezeték nélküli töltés a Faraday-indukció elvén működik, ahol egy váltakozó mágneses mező váltakozó áramáramot generál a vezetékekben. Az elektromos hálózatban szintén váltakozó áram van, és az akkumulátor töltéséhez egyenáramú áramlásra van szükség. A töltők egyik szerepe a nyilvánvaló feladat mellett, hogy áramot szolgáltassanak az akkumulátornak, az, hogy a váltakozó áramot egyenárammá alakítsák – a köznyelvben a töltőink az áram „egyenirányítói”.
A vezeték nélküli töltéssel rendelkező készülékekben a váltakozó áramot egyenárammá alakító „egyenirányítónak” magában a készülékben kell lennie. Ahol pontosan ugyanazt a funkciót tölti be, mint a vezetékes töltőnél. Ebben az összefüggésben az akkumulátor töltése pontosan ugyanúgy történik, mint a vezetékes töltő esetében. És pontosan ugyanazok a töltési korlátozások vonatkoznak rá.
– magyarázza Dr. Krajewski.
Akkumulátor-formázás? Igen, van értelme – de nem a lítium-ion akkumulátorok esetében.
Az 1990-es évek végén és a 2000-es évek elején az igazi jelenség az akkumulátorok formázása volt. És hadd legyen ő az első, aki kővel dobja meg azt, akinek a tanácsadója egy Era bemutatóteremben nem mondta kifejezetten, hogy „a telefon akkumulátorát háromszor nullára kell kisütni, és 100 százalékra kell tölteni”. Ez a trükk nem babona vagy mítosz volt, hanem valós gyakorlat, amely pozitívan befolyásolja a telefon akkumulátorának élettartamát.
Kulcsszó: volt. Az okostelefonokban ugyanis ma már lítium-ion akkumulátorokat használnak, míg a régi mobiltelefonokban nikkel-kadmium vagy nikkel-hidrid akkumulátorokat lehetett találni, tekintettel az úgynevezett cellamemória-effektusra.
A cellamemória-effektus korlátozta a kapacitásukat, ha az elektrokémiai reakciók nem tudtak teljesen lezajlani. Ez annak köszönhető, hogy az ott zajló reakciók sok köztes, gyakran irreverzibilis folyamaton keresztül zajlanak. Egy befejezetlen elektrokémiai reakció leállítása és visszafordítása olyan termékeket eredményezett, amelyek a cella működése közben nem tudtak tovább hasznosulni, ami korlátozta az egész akkumulátor kapacitását.
tette hozzá a tudós.
A lítium-ion cellák esetében – mondta – „ez a hatás nem jelentkezik olyan mértékben, hogy elfogadottá vált, hogy egy ilyen cellát bármikor be lehet dugni töltésre”. Más szóval a mai mobileszközök gyakorlatilag teljesen mentesülnek az első mobiltelefonok korából ismert memóriahatástól, és az akkumulátorok formázásának gyakorlatának nincs értelme.
