Из-за чего срок службы смарт-часов вроде Apple Watch и любых других носимых гаджетов, как, например популярный фитнес-браслет Mi Band от Xiaomi, ограничен всего двумя-тремя годами? Почему так мало?
Этим вопросом задались специалисты из Warwick Manufacturing Group (WMG) и факультета физики Уорикского Университета (University of Warwick) в Великобритании.
Учёные успешно завершили большую исследовательскую работу с конкретными выводами. Доктор Мелани Ловеридж (Melanie Loveridge, её фотография на первом изображении выше) рассказала нам подробности исследования. Спешим поделиться результатами с вами.
Какое исследование провели учёные по аккумуляторам носимых гаджетов?
Исследование WMG и факультета физики Университет Уорика — это набор опытов и экспериментов для оценки причин быстрой деградации коммерческих литий-ионных аккумуляторов с катодом типа LiCoO2 (оксид лития-кобальта, LCO) в электронике малого формата. Другими словами, это поиск ответа на вопрос, почему миниатюрные батареи внутри небольших гаджетов относительно быстро теряют свои изначальные свойства и всего через 20 месяцев совсем плохо держат заряд.
LCO — исполнение катода с оптимальным для смарт-часов и других гаджетов сочетанием высокого напряжения и плотности энергии.
Цель исследования — поиск решения конструктивных проблем обмотки элементов питания в миниатюрных устройствах (есть ли вообще смысл в изменении свойств покрытия). Найденные решения в совокупности дают ключ к пониманию того, как повысить долговечность и срок службы этих батарей.
Что именно делали учёные?
Исследовательская работа состояла из нескольких задач.
- 1. Анализ старения из-за асимметрии напряжения на материалах, используемых внутри аккумулятора.
- 2. Наблюдение за расслоением электродных покрытий с внутренней стороны.
- 3. Изучение влияния дефектных покрытий на производительность цилиндрической ячейки («скрутки»).
- 4. Образование бинарного химического соединения лития и фтора (LiF) и изучение его влияния на перенос ионов Li+.
Исследователи разобрали коммерческие элементы и выполнили 500 циклов заряда-разряда на таких же аккумуляторах, после чего тоже их разобрали. Чтобы выявить структурные особенности и изменения батареи, они провели ещё эксперименты:
- • электрохимические испытания,
- • рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS),
- • рентгеновскую компьютерную томографию (XCT),
- • сканирующую электронную микроскопию SEM).
Что удалось обнаружить учёным?
По итогам экспериментов они выявили, что состояние катода и анода изменилось по-разному на внутренней и внешней сторонах токосъёмника.
Как изменилось состояние катода
- • На обращённом внутрь катоде (он находится под сжатием, когда свёрнут в рулон) появляются значительные признаки отслоения покрытия от алюминиевой фольги.
- • На обращённой наружу стороне катода (под натяжением) наблюдается лишь частичное расслоение — покрытие было перенесено на сепаратор.
Как изменилось состояние анода
- • На обращённой внутрь стороне анода (при сжатии) почти не осталось покрытия на медной фольге.
- • На обращённой наружу стороне анода (под натяжением) наблюдалось ещё более сильное расслоение.
Что значат эти результаты для простых смертных?
Главная цифра для нас с вами — литий-ионный аккумулятор в носимых гаджетах уже после 500 циклов непрерывных зарядок и разрядок достигает значения 82% от изначальной ёмкости.
Процент кажется достаточным, верно? Но на поверку за износом всего на 18% внутри батареи кроется уже серьёзное расслоение. Причина — повышенное напряжение в местах изгиба. То есть мы наблюдаем старение и износ, которые только усиливаются с течением времени в миниатюрных аккумуляторах.
У миниатюрных аккумуляторов срок службы в Apple Watch, смарт-часах и фитнес-браслетах типа Mi Band 4 ограничивается 500 циклами, после чего внутри него поверхностные слои значительно нарастают, и всё больше LiF обнаруживается на катоде и аноде.
Теперь производителям аккумуляторов для носимой электроники и медицинских устройств предстоит большая работа над ошибками. Учёные рекомендовали обеспечить более качественный электрический контакт, чтобы места сгиба оказывали меньшее воздействие на электрохимические характеристики материалов батареи.
Какие выводы мы должны сделать?
Аккумуляторы в смарт-часах, фитнес-браслетах и другой носимой электронике создаются путём цилиндрической намотки электродов. Чтобы как-то повлиять на причины деградации из-за асимметричных напряжений, инженерам на аккумуляторных заводах понадобится разработать добавки, улучшающие механическую устойчивость покрытий.
В ближайшее время мы вряд ли увидим миниатюрные аккумуляторы, которые служили бы намного дольше, чем 500 циклов заряд-разряд.
