maxresdefault.jpg

Думаю, все, кто в последнее время читал новости на технических ресурсах, могли заметить, что многие пишут о том, что iPhone с изношенными аккумуляторами работают медленнее, чем с новыми. Догадок было много — кто-то писал, что это баг или брак, кто-то писал, что это фича. В итоге сегодня Apple выложила объяснение, из которого ясно, что правы все же вторые:

«Наша цель — предоставить лучший опыт для клиентов, который включает в себя общую производительность и продление срока службы своих устройств. Литий-ионные аккумуляторы уже не способны так хорошо обеспечивать максимальные требования к току при холодных условиях. Это связано с низким уровнем емкости батарей или их возрастом и может привести к неожиданному отключению устройства для защиты электронных компонентов.

В прошлом году мы выпустили обновления для iPhone 6, iPhone 6 Plus и iPhone SE, привносящее им функцию, которая слегка снижает их производительность тогда, когда это необходимо. Теперь мы добавили аналогичную функцию для iPhone 7 в iOS 11.2 и планируем добавить поддержку для других продуктов в будущем».

То есть Apple официально подтверждает, что изношенные аккумуляторы (или просто аккумуляторы на морозе) не могут дать устройству нужный ток, и чтобы iPhone не выключился, снижается максимальная частота процессора. Разумеется, интересно узнать — насколько это правда? И чтобы это узнать, обратимся к теории — как устроен Li-ion аккумулятор.

Строение и принцип действия Li-ion аккумулятора

И хотя у меня уже была статья о том, как устроен и как правильно эксплуатировать такие аккумуляторы (ссылка на нее будет в рекомендованных материалах), я все же частично повторю теорию, потому что нас в данной статье интересует немного другое — а именно то, почему и как деградируют аккумуляторы, и к чему это приводит.

Итак, любой Li-ion аккумулятор имеет катод (или отрицательный электрод), сделанный из оксида лития с кобальтом. Разумеется, есть и анод — положительный электрод, который сейчас, как правило, изготавливается из графита. Они разделены пористым сепаратором, который нужен для того, чтобы между электродами было некоторое пространство — в противном случае произойдет короткое замыкание. Ну и завершает устройство аккумулятора электролит, включающий в себя растворитель на основе солей литий, который и позволяет перемещаться ионам лития при работе аккумулятора: во время зарядки ток перемещает ионы лития от катода к аноду, во время разрядки они, соответственно, движутся назад.
1458391087_li-ion_1.jpg
Для каждого аккумулятора можно ввести две мерки производительности — это емкость и мощность. С емкостью все понятно: чем больше было запасено энергии, тем дольше проживет устройство от аккумулятора. С мощностью все менее очевидно — этот параметр отвечает за то, сколько энергии аккумулятор может отдать за секунду.

Для мобильных устройств первый параметр важнее — очевидно, что мы хотим, чтобы телефон жил полный день (а желательно — и не один). Но бывают такие моменты, когда нам важен второй параметр: к примеру, при установлении звонка при плохом качестве связи, в играх, при снятии 4К видео и так далее: во все эти моменты устройство требует от аккумулятора повышенный объем энергии, и для корректной функциональности устройства аккумулятор должен иметь возможность такую мощность отдать.

Однако, как мы знаем, аккумуляторы со временем деградируют, и при этом теряется не только емкость, но и максимальная мощность — в конце концов это приводит к тому, что аккумулятор больше не может обеспечивать пиковую нагрузку, и телефон в такие моменты банально отключается или зависает. Процесс, схожий с деградацией аккумулятора, происходит и на морозе (об этом ниже), поэтому и симптомы на холоде те же: думаю, у достаточного количества владельцев iPhone выключался при отрицательных температурах.

Чтобы такого не происходило, логичным решением выглядит снижение производительности девайса: чем ниже частота у процессора, тем меньше он требует мощности, и тем ниже будет пиковая мощность всего устройства — а, значит, ее смогут выдать и старые аккумуляторы. По этому же пути пошла Apple: между отключением устройства при сильной нагрузке и снижением производительности компания выбрала второе. Обсуждение, насколько это правильно, в данную статью не входит, я лишь рассказываю теорию, так что вернемся к ней.

Почему деградируют аккумуляторы

Теперь, когда мы знаем, как устроен аккумулятор, посмотрим, что с ним происходит со временем. Активная часть катода (которая является источником ионов лития) имеет определенную атомную структуру для обеспечения максимальной емкости и производительности. Однако, когда ионы в процессе зарядки-разрядки перемещаются к аноду и возвращаются обратно в катод, они не всегда попадают на те же места, а занимают первые попавшиеся. В итоге в процессе эксплуатации такие «фазовые переходы» приводят к тому, что катод превращается в другую кристаллическую структуру с иными электромеханическими свойствами, в результате чего снижается емкость.

Вторая причина кроется в коррозии: каждый электрод соединен с коллектором, который по сути является куском металла (медь для анода, алюминий для катода) — он нужен для того, чтобы «переносить» электроны во внешнюю цепь, то есть для питания устройства. Сверху коллектор покрыт клееподобным связующим материалом, однако со временем он разрушается, что приводит к «шелушению» поверхности коллектора. И когда металл в его составе начинает разъедаться, он перестает эффективно «перемещать» электроны, что приводит и к потере мощности, и к потере емкости.

Ну и последний виновник — графит. Этот материал является термодинамически неустойчивым, и под действием электролита при первой зарядке происходит химическая реакция, в результате которой вокруг анода (графитового электрода) появляется пористый слой (он называется твердым электролитным интерфейсом, ТЭИ). После первой зарядки этот слой должен препятствовать дальнейшему разъеданию графита, однако на деле такая защита оказывается не очень эффективной: при глубоком разряде или высоких температурах этот слой может частично растворяться в электролите. Разумеется, когда вернутся благоприятные условия, он восстановится — однако, увы, за счет все того же графита. Более того — может получиться так, что со временем ТЭИ становится слишком много, и он становится барьером для ионов лития, и в итоге начинает падать мощность аккумулятора. 
lithium-ion-battery_01.jpg
Однако все это не объясняет, почему падает мощность и емкость Li-ion аккумуляторов на морозе. Тут нам помогает физика: на морозе повышается вязкость электролита, что, в свою очередь, приводит к повышению его сопротивления — а это приводит к падению максимальной мощности. Также зачастую электролиты представляют собой водосодержащий гель, который на морозе опять же может замерзнуть и вывести часть аккумулятора из строя — так падает емкость. 

Как видите, причин, по которым аккумулятор начинает деградировать, множество. Все это приводит к тому, что емкость снижается в среднем на 20% после 500 циклов заряда-разряда. С учетом того, что iPhone заряжают в среднем раз в день, уже через полтора года вы наберете 500 циклов и потеряете 20% емкости, что, к тому же, в случае с Apple может привести и к падению производительности. В итоге, с учетом того, что Apple поддерживает свои устройства на протяжении 4-5 лет, вам придется как минимум 2 раза менять аккумулятор — увы, это плата за их несовершенство. Сейчас ведется множество разработок в этом направлении, но пока нам приходится довольствоваться технологией Li-ion аккумуляторов, которые впервые вышли на рынок чуть больше 25 лет назад, в 1991 году.