Специалисты Neovolt отвечают на вопросы наших читателей: все, что вы хотели знать про батареи

Как проверить емкость новой батареи? Как правильно заряжать смартфоны? Хватит ли природных ресурсов на создание новой аккумуляторной техники? На все вопросы читателей ответили специалисты Neovolt — крупного производителя аккумуляторов.

Специалисты Neovolt отвечают на вопросы наших читателей: все, что вы хотели знать про батареи

Не так давно мы предложили нашим читателям задать любые вопросы на тему покупки и эксплуатации аккумуляторов гаджетов. Ответить на эти вопросы любезно согласился генеральный директор и основатель Neovolt.ru Роман Кусакин. Мы немного задержались с публикацией, поскольку интерес читателей к этой теме оказался очень высок. Пришлось объединить некоторые похожие вопросы, но даже так получился лонгридище. Почитайте, очень интересно. 

Батареи смартфонов и компьютерной электроники 

- Как восстановить аккумулятор телефона? 

- Физический износ литий-ионного аккумулятора в мобильных устройствах необратим. Вы можете только откалибровать программную индикацию (если процент резко меняется, либо устройство неожиданно отключается с достаточным зарядом) и снизить нагрузку на систему питания, отключив ненужные уведомления или даже удалив лишние приложения.

- В паспорте на Red Magic 7 указана емкость батареи 4500 мАч, а по факту 2500 мАч, как такое может быть?

- Если измерено правильно, то это брак. Производители принимают два значения емкости: номинальное и фактическое. Первое может отличаться от второго на величину не более 10% как в большую сторону, так и в меньшую. Например, Apple считает гарантийным случаем, если фактическая ёмкость батареи мобильных гаджетов от номинальной составляет 80%. Мы, в Neovolt, берем значение для гарантии из научных исследований, где указано, что 70% — это критический износ для всех устройств (включая LiFePO4, LiSoCI2, NiCD и NiMH). Многие пользователи пишут, что у них ноутбук отлично держит заряд даже спустя 11 лет использования, хотя при проверке емкость составляет уже 40% от номинальной — оказалось, что субъективно пользователю было достаточно и этой емкости, и он считал аккумулятор работоспособным.

- Почему в ноутбуках нет кнопки для физического отключения батареи при работе от сети?

- В ноутбуках нет кнопки для физического отключения батареи при подключении к сети, поскольку резкое отключение питания может привести к повреждению подсистемы памяти или других компонентов. Кроме того, не все модели ноутбуков способны работать без аккумулятора, энергия которого иногда используется в ресурсоёмких приложениях для дополнительного питания вычислительной подсистемы. Ноутбук — это технически сложное устройство, которое следует использовать так, как это задумали инженеры и описали в руководстве пользователя.

Подпишитесь на наши каналы, что...
Подпишитесь на наши каналы, чтобы не пропустить интересные новости и полезные статьи

Как правильно заряжать устройства

- Как оптимально осуществлять процессы заряда, разряда, хранения аккумуляторов мобильных телефонов, электромобилей? Какие принимать глубину разряда, мощность, температуру?

- Литий-ионная технология позволяет заряжать устройство как удобно, когда удобно и сколько удобно — обо всём заботится контроллер. Главное не заряжать при температуре ниже 0°C (защита от такой зарядки может быть только программная, например, в ОС самого смартфона по датчику температуры — тогда отображается уведомление «Батарея слишком холодная»).

Для максимальной продолжительности срока службы литий-кобальтовых аккумуляторов смартфонов и других мобильных устройств (планшетов, ноутбуков) оптимальна глубина разряда (DoD) в 60%. Однако на практике это будет означать, что вы заряжаете до 70%, а разряжаете до 30%, что неудобно.

Производители рекомендуют ставить смартфон на зарядку при 15%-20% (предусмотрено уведомление в операционной системе) и без необходимости в использовании полной емкости (например, если вам не нужно куда-то уезжать, где нет розетки) заряжать гаджет до 80%.

Такая отсечка включается в пункте настроек батареи и обычно называется «Умная зарядка» или «Ночная зарядка», когда заряд с 80% до 100% продолжится по заранее предписанной программе). Подобные настройки предусмотрены на новых смартфонах (таких как iPhone 13 или новые Galaxy S22), на старых или бюджетных устройствах обычно ничего подобного нет.

- С точки зрения срока службы аккумулятора, как и когда лучше выполнять заряд и разряд накопителя? Зависит ли старение от мощности и глубины разряда в каждом цикле?

- Всё зависит от типа аккумулятора. Для мобильных устройств с LCO-ячейками глубина разряда и мощность влияют на срок службы. Если на корпусе или в характеристиках указано «Li-ion», «Li-Polymer» или «Li-ion Polymer», то заряжайте при 15%-20%, когда появляется уведомление, а без необходимости не заряжайте выше 80%. Не оставляйте надолго в розетке при 100%-м заряде. Для NiMH и NiCd важным фактором является регулярность тренировочных циклов разряд-заряд и способ хранения (у NiMH с зарядом выше 50%, а у NiCd, наоборот, с минимальным зарядом ниже 20%).

Существует очень много нюансов, если щепетильно относиться к этому вопросу. Так или иначе производители постарались сгладить все краеугольные моменты, чтобы пользователю было комфортно работать с устройством весь заложенный в него срок службы при любых очевидных сценариях эксплуатации.

- Существуют ли критически важные особенности (действия, порядок) при разряде/заряде Li-on АКБ, при их длительном хранении? Каковы эти особенности? Как влияет на дальнейший срок эксплуатации и энергоэффективность АКБ соблюдение всех этих требований? 

- Не заряжайте при t<0°C, не грейте выше +45°С, храните с зарядом 40%-60%, тогда аккумулятор Li-ion прослужит более 500 циклов заряд-разряд, не вздуется и не воспламенится произвольно.

- Насколько сильно коррелируют между собой саморазряд и температура окружающей среды для литий-ионных аккумуляторов?

- Для литий-ионных аккумуляторов саморазряд увеличивается при повышении температуры и уровне заряда. То есть при 100%-м заряде саморазряд Li-ion составит 6% в условиях температуры 0°C и 35% в условиях +60°C. При 40%-м заряде саморазряд Li-ion составит 2% в условиях 0°C и 15% в условиях +60°C. Такие исследования проводил Технический университет Мюнхена.

- Имеется ли зависимость электротехнических параметров современных Li-on АКБ от температуры окружающей среды в месте эксплуатации?

- В теории в более жарком климате износ литий-ионных аккумуляторов происходит быстрее. На практике исследований по сравнению эксплуатации Li-ion в северных странах и экваториальных не производилось. Такие исследования были для свинцово-кислотных аккумуляторов, где срок службы был больше в более холодном климате, что указывается производителями в мануалах и на чём основываются спецификации производства электролита свинцово-кислотных АКБ.

Перспективы развития электротранспорта

- Как вы считаете, насколько перспективно развитие электротранспорта? Будем ли мы через 100 лет все ездить не электрокарах при текущих трендах? Какие есть сдерживающие факторы и насколько они серьезны?

- Электротранспорт является перспективным направлением развития, но есть несколько сдерживающих факторов, которые могут помешать его широкому распространению в ближайшие 100 лет. Самый серьезный — это стоимость аккумуляторов, которую необходимо понижать, чтобы сделать электромобили более доступными. Другие факторы включают отсутствие зарядной инфраструктуры и высокую стоимость её развития, а также выбросы от производства электромобилей и их питания (например, угольными электростанциями). Если эти проблемы удастся решить, то у электротранспорта есть все шансы стать мейнстримом.


- Судя по опыту эксплуатации гаджетов, а также по паспортным данным некоторых промышленных моделей накопителей, литий-ионные аккумуляторы теряют заряд при работе с температурой окружающей среды ниже нуля. Всегда ли это так? Накладывает ли это ограничение на использование электромобилей в странах с холодным климатом?

- В отличие от LCO-ячеек аккумуляторов смартфонов, которые более всех электрохимических систем чувствительны к низким температурам (то есть ниже 0°C), в электромобилях помимо кобальта применяются системы с никелем и марганцем для улучшения характеристик температурной стойкости батареи.

При сильных морозах (ниже -20°C) ёмкость таких ячеек обратимо снижается (уменьшается дальность хода). Однако они всё равно страдают от утолщения анода и литиевого покрытия при попытке заряжать в условиях низких температур ниже 0°C (происходит уже необратимая потеря емкости). Чтобы электромобили можно было заряжать зимой (например, в северных странах) производители предусмотрели систему подогрева тяговой батареи до t>0°C, когда вы подключаете кабель зарядки.

Как проверить емкость и разряд аккумулятора

- Купил на Алиэкспресс аккумулятор для сегвея. Как простым способом проверить его емкость на соответствие заявленной?

Вы можете проверить тестером кулоновским методом — сколько энергии аккумулятор взял и сколько отдал.

- Существуют ли математические модели, позволяющие расчетно оценить деградацию (потерю располагаемой емкости) АКБ в процессе функционирования с учетом особенностей режимов: глубины разряда, передаваемой мощности, окружающей температуры? Применяются ли подобные "счетчики" при работе реальных систем?

- Да, такие модели разработаны и активно используются в исследованиях Стэнфорда, Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского института Toyota (TRI), Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (LBNL), Национальной лаборатории ускорителей (SLAC NAL) и многих других научных структурах.

Самый современный алгоритм выведен методом машинного обучения и описывается в научной работе: «Оптимизация протоколов быстрой зарядки аккумуляторов с обратной связью с помощью машинного обучения» (документ s41586-020-1994-5). Данная модель позволяет прогнозировать степень деградации аккумулятора при различных способах зарядки. С её помощью сегодня разрабатываются самые оптимальные протоколы зарядки электромобилей в целях максимального увеличения срока службы тяговой батареи.


-  Насколько острым является вопрос старения накопителей существующих систем?

- Для производителей электроники существующие сроки службы аккумуляторов вполне соответствуют заложенным в продукцию эксплуатационным ресурсам и не являются какой-либо проблемой, которую нужно решать. Однако у стареющих литий-ионных аккумуляторов больше риск повреждения или выхода из строя, чем у более свежих. Это основная проблема производителей электромобилей, которые стремятся достичь сравнимого с автомобилями на ископаемом топливе срока службы. Вот для них срок службы — это острый вопрос. И именно благодаря электромобилям сейчас проводятся дорогостоящие исследования новых материалов электродов и электролитов.

- Известна ли цифровая/математическая модель, позволяющая рассчитывать (оценивать) остаточную емкость аккумуляторных батарей в процессе эксплуатации (учитывая при этом характер эксплуатации, количество циклов разряда/заряда и окружающую температуру)?

- Температура и количество циклов разрядки/зарядки — два важных фактора, которые необходимо учитывать при прогнозировании срока службы батареи. Производители электроники часто предоставляют информацию о том, сколько циклов уже израсходовано. Иногда (как в некоторой технике Apple или Toshiba) применяется кулоновский метод измерения тока разряда с интеграцией на всё время разряда, что при известном номинальном значении емкости может показать остаточную емкость в процентах, которую маркетологи назвали «максимальной емкостью».

Стоимость батарей и запасы природных ресурсов

- Примерно до 2019 года средняя стоимость кВт*ч литий-ионного аккумулятора уменьшалась. Что происходит со стоимостью литий-ионных аккумуляторов сейчас? Как влияет на неё рост цен на литий?

- В 2022 году рост цен на литий достигал +572%. Стоимость на пике выросла с $13 400 долларов в 2021 до $32 600 в январе 2022 и до $76 700 в марте (данные Benchmark Mineral Intelligence). Cнижения цен не прогнозируют, согласно последним отчётам КНР с 20% мирового лития. Соответственно, химия для литий-ионных аккумуляторов, которую нам поставляют из Южной Кореи, Японии и Китая, также дорожают все последние месяцы.

Для России немного улучшит ситуацию начало добычи лития в Мурманской области усилиями «Росатом» и «Норникель», а также строительство мощностей для производства химии литий-ионных аккумуляторов в Калининградской области.

- Хватит ли природных ресурсов для производства литий-ионных аккумуляторов в соответствии с планами по их более широкому применению (в автомобилестроении, системах накопления энергии и других)?

- Для аккумуляторов сейчас используют литий самого высокого качества. Его производство дорого стоит, так как сложно извлекать из руды. Запасов лития в ней 86 миллионов тонн (хватит на 286 лет). Наиболее многообещающая разработка сейчас - технология литиевых батарей, для которой подойдёт литий меньшего качества (например, добытый путём опреснения морской воды, где запасы на 760-1500 лет). Что касается других материалов, например, никеля и кобальта, то им нашли альтернативу в литий-железо-фосфатных батареях (уже массово производятся и стремительно развиваются по ёмкости), а также в твердотельных (уже существуют, но пока не налажено производство).

- Достаточен ли запас природных ресурсов в мире для производства Li-on батарей с учетом того, что в последние годы увеличиваются объемы и сферы применения АКБ и средств накопления ЭЭ?

- При существующих технологиях запасов достаточно на две-три сотни лет. При прогнозируемом совершенствовании технологий запасов хватит на тысячу лет.

- Какова средняя стоимость 1 кВт*ч Li-ion на данный момент с учетом всех технологических особенностей? Какая ценовая тенденция, по вашему мнению, будет в ближайшие 5 лет: либо это дальнейшие снижение – тем самым АКБ станут еще более доступнее, или же с ростом цен на сырье стоимость батарей пойдет вверх?

- Цена кВт·ч Li-ion зависит от рынка сбыта. В 2022-м году глобальные геополитические изменения создали условия, когда стало сложно отслеживать эти показатели, отчего специалисты пока не спешат делать прогнозы. Известно одно — для общего процветания должно быть перманентное снижение этой стоимости. Если этого не происходит, то развитие электротранспорта и портативной электроники стагнирует.

Безопасность аккумуляторов и вопросы экологии 

- Что вы можете сказать по поводу взрывоопасности и пожароопасности современных литий-ионных аккумуляторных батарей?

- Если литий-ионная батарея исправна (не бракованная, не повреждена, не вздулась, не старше 3 лет, не находится в глубоком разряде), оснащена контроллером и заряжается от совместимого зарядного устройства при температуре выше 0°C, то риск теплового разгона (который выглядит как взрыв) практически нулевой. Все опасные химические реакции в Li-ion и Li-Polymer связаны исключительно с повреждениями, износом и коротким замыканием.

Последнее происходило с печально известными смартфонами Galaxy Note 7, когда компания Samsung пошла на смелый эксперимент создания свободных форм LCO-ячеек. Инженеры просчитались, создав слишком тонкие места на загибах пласта слоёв анода, сепаратора и катода — именно здесь происходили короткие замыкания с последующим тепловым разгоном.

- Есть ли у современных АКБ особые требования по пожаро-взрыво безопасности?

В исправном состоянии и при штатной эксплуатации абсолютно безопасны. Особые требования существуют к перевозке, из-за чего, например, грузы с литий-ионными батареям по правилам IATA нельзя перевозить вне электроники авиатранспортом, а только наземным. Последние годы решается вопрос ограничений и при перевозке Li-ion контейнерными грузами.

- Есть ли оценки ущерба экологии от использования литий-ионных аккумуляторов?

- Проводятся исследования, в результате которых выявлено, что химические вещества внутри литий-ионных аккумуляторов, если их не утилизировать должным образом, способны загрязнять почву и грунтовые воды и вызывать проблемы со здоровьем у людей, которые вступают с ними в контакт. По этой причине существует потребность всех государств мира в улучшенной инфраструктуре переработки для обращения с отходами литий-ионных аккумуляторов.

Как утилизировать батареи

- В каком состоянии находится вопрос по переработке и рециркуляции аккумуляторов?

- В настоящий момент самые эффективные в мире методы переработки у китайских компаний. Последние 2 года их активно догоняют в США.

В 2021-м году мы сдали 300 кг литий-ионных аккумуляторов в Москве на переработку. Узнавайте у своего муниципалитета, какие пункты принимают батареи.

В России пока нет унифицированного технологического процесса переработки — развитие в этом секторе может продлиться десятилетие в условиях отечественной экономики. Но многие компании ищут способы изменить ситуацию. Например, мы разрабатываем свой собственный проект переработки для повторного использования литиевых аккумуляторов в промышленности под узнаваемым брендом.


Аккумуляторы будущего

- Возможно ли ещё большее увеличение емкости у литий-ионной технологии?

- Да, с помощью исследований литий-ионной технологии можно ещё больше увеличить ёмкость, включая использование различных химических веществ и улучшение производственного процесса. Однако не все исследования оказываются эффективными. О многих из них мы слышали лишь однажды на этапе привлечения инвестиций.

- Что придет на смену литиевым аккумуляторам в потребительском сегменте и когда?

- Фактически никто не знает. На данный момент более совершенными электрохимическими системами, чем массовые LCO (смартфоны) и NMC (электротранспорт) считаются LFP (пока страдают емкостью, но совершеннее в остальном) и LTO (пока слишком дорого производить). Большие надежды строятся вокруг твердотельных Li-ion (уже существуют, но очень дорогие) и технологии применения менее качественного лития (добытого альтернативными путями). Всё сказанное выше актуально как прогноз массового применения уже в ближайшие 2-3 года.

- Все время на слуху литий-ионные аккумуляторы. Какие есть новые технологии в этой отрасли? Какую перспективную замену им вы видите?

- Помимо литий-ионных, на горизонте есть ряд новых аккумуляторных технологий. Например, натрий-ионные, где вместо ионов лития используются ионы натрия. Это может быть более доступным вариантом для батарей, так как натрий дешевле лития.

Другая технология называется магниево-ионной, в которой также используются ионы магния. Магний даже дешевле, чем натрий, и имеет более высокую плотность энергии, чем ионно-литиевые батареи. Кроме того, продолжаются разработки традиционных свинцово-кислотных и никель-металлогидридных аккумуляторов. 

Самыми эффективными и реалистично близкими к скорому внедрению на массовом рынке на наш взгляд являются твердотельные и тонкоплёночные литий-ионные батареи.

- Что думаете про Redox накопители?

- Окислительно-восстановительные батареи Redox имеют невыгодное положение сейчас, потому что они могут разряжать только ограниченное количество энергии, они не так эффективны, как другие типы батарей, и требуют большего обслуживания.