Вредит ли быстрая зарядка аккумулятору больше, чем обычная?

От телефонов до электромобилей: некоторые аккумуляторы заряжаются за час, а другим может потребоваться до полусуток.

Некоторые типы аккумуляторов заряжаются быстрее других.(Фото: Tfilm через Getty Images)

Кажется, что быстрая зарядка есть почти везде. Многие смартфоны могут зарядиться с почти 0% до более чем 50% примерно за полчаса, а некоторые электромобили могут увеличить запас хода на сотни километров во время быстрой зарядки.

Но аккумуляторы не идеальны: их емкость со временем снижается. Учитывая, что быстрая зарядка обеспечивает большую мощность за меньшее время, можно ли сказать, что она вредит аккумуляторам?

Ученые говорят, что да, но все сложнее, чем может показаться. Быстрая зарядка может ускорить деградацию некоторых типов аккумуляторов, но современные аккумуляторы имеют защитные механизмы, которые помогают предотвратить повреждения.

Как работает быстрая зарядка?

Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы — самый распространенный тип аккумуляторов в мире — работают за счет перемещения ионов лития между двумя электродами, называемыми катодом и анодом. Во время зарядки ионы лития проходят через аккумулятор и накапливаются в аноде до тех пор, пока аккумулятор не будет использован снова.

Основное различие между быстрой и обычной зарядкой заключается в скорости перемещения этих ионов. По сравнению с обычной зарядкой, которая может занимать несколько часов, быстрая зарядка позволяет зарядить аккумулятор за час или даже быстрее.

На этой схеме показано внутреннее устройство аккумулятора, в котором ионы лития перемещаются по цепи от более концентрированных участков к менее концентрированным (Изображение предоставлено: Кенна Хьюз-Каслберри/Live Science)

"При обычной зарядке используется более низкий ток, что позволяет ионам лития постепенно интеркалировать [проникать в микроскопические отверстия] в аноде, при этом выделяется мало тепла и возникает минимальное механическое напряжение," — сообщил Live Science по электронной почте Чжиюань Цзян, доцент кафедры химической инженерии и технологий в китайском городе Сиань. «Быстрая зарядка значительно увеличивает силу тока [и] мощность, чтобы сократить время зарядки».

Не все аккумуляторы предназначены для быстрой зарядки. Способность аккумулятора выдерживать высокую скорость зарядки зависит от его материалов, внутренней структуры и системы управления аккумулятором, объяснил Цзян. Аккумуляторы для быстрой зарядки часто содержат специальные электродные материалы или более тонкие электроды и электролиты, которые облегчают движение ионов лития. Производители также могут изменить внутреннюю структуру аккумулятора, чтобы снизить сопротивление и предотвратить перегрев.

Станислав Занковски, исследователь аккумуляторов из Оксфордского университета, сравнил этот процесс с движением транспорта по городу.

«Зарядку аккумулятора можно сравнить с перемещением людей по дорогам, перекресткам и зданиям, — сказал Занковски в интервью Live Science. — Быстрая зарядка — это вопрос того, насколько эффективно можно организовать движение, не создавая узких мест».

Какой вред может нанести быстрая зарядка?

Все литий-ионные аккумуляторы со временем теряют емкость, даже при бережном обращении. Но быстрая зарядка может ускорить некоторые химические процессы, вызывающие старение.

Одной из самых серьезных проблем является процесс, называемый литиевым обрастанием. При быстрой зарядке ионы лития могут не успеть должным образом осесть внутри анода. Вместо этого некоторое количество лития может накапливаться в виде металлических отложений на поверхности электрода. Эти отложения могут уменьшить количество лития, доступного для накопления энергии, тем самым снижая емкость аккумулятора. В крайних случаях литий может образовывать игольчатые структуры так называемые дендриты, которые протыкают внутренние компоненты аккумулятора и создают угрозу безопасности.

При быстрой зарядке также может выделяться больше тепла. Тепло — это естественный побочный продукт электрического сопротивления аккумулятора. Чем быстрее заряжается аккумулятор, тем больше тепла он выделяет.

«При зарядке небольшого аккумулятора малым током количество выделяемого тепла также будет относительно небольшим», — сказал Занковски. «Так что это не проблема безопасности, но по мере увеличения размера аккумулятора сила тока, которую мы будем подавать во время зарядки, и количество выделяемого тепла будут значительно возрастать. В результате мы не сможем заряжать большие аккумуляторы так же быстро, в основном из-за запаса прочности».

Более высокие температуры могут ускорить химические реакции, которые постепенно разрушают материалы, из которых изготовлены аккумуляторы. В некоторых крайних случаях перегрев может привести к тому, что аккумуляторы набухнут, воспламенятся или даже взорвутся ‪—‬ этот процесс известен как тепловой разгон.

Некоторые аккумуляторы, например те, что используются в электромобилях, оснащены системой управления, которая обеспечивает их безопасную зарядку без перегрева(Фото: Виттайя Прасонгсин, Getty Images)

К счастью, большинство современных смартфонов, ноутбуков и электромобилей оснащены сложными системами управления аккумуляторами, которые контролируют напряжение, силу тока и температуру во время зарядки. Вот почему ваш смартфон может выдать предупреждение о перегреве, если вы оставите его на солнце. Если температура поднимается слишком высоко, эти системы автоматически замедляют зарядку, чтобы защитить аккумулятор.

Лучшие советы по продлению срока службы аккумулятора

Так как же лучше всего защитить аккумулятор при быстрой зарядке?

И Занковски, и Цзян подчеркнули, что ключевую роль играет температура. Лучше не заряжать устройства в жарких условиях, например в припаркованном автомобиле или под прямыми солнечными лучами. Очень низкие температуры также могут быть вредны, поскольку они затрудняют движение ионов лития внутри аккумулятора.

"В идеале для зарядки температура должна составлять от 20 до 25 градусов по Цельсию [от 68 до 77 градусов по Фаренгейту]", — сказал Занковски. «Это как комфортная температура для человека, верно?»

Эксперты также рекомендуют не оставлять такие устройства, как ноутбуки, постоянно подключенными к сети, так как это может снизить емкость аккумулятора. Цзян посоветовал придерживаться принципа «неглубокая зарядка, неглубокий разряд».

«При ежедневном использовании поддерживайте уровень заряда аккумулятора от 20% до 80%, — сказал он. — Необязательно каждый раз заряжать его до 100%». Пишет Live Science