Slik fungerer litium-ion-batterier i telefoner, og derfor brytes de ned

Når du forstår det grunnleggende, blir de vanlige rådene mindre mystiske. 20-80-regelen, advarslene mot varme og grunnen til at gamle telefoner slår seg av for tidlig, kommer fra samme sted: litiumioner som beveger seg gjennom en celle som forandrer seg litt hver gang du bruker den.

For batteriforskningen i denne artikkelen støtter oversikten til Edge med flere kapasitetstap, effekttap, økt impedans og virkninger av temperatur, ladenivå, strøm eller belastning, SEI-vekst og litiumplettering. Den fastsetter ikke produsentfunksjoner, universelle temperaturgrenser for telefoner, tilbehørsvalg, reparasjonsråd eller priser, nøyaktig levetid, ladetid eller garanterte forbrukerresultater.

Den grunnleggende cellen

Et litium-ion-batteri i en telefon har fire hoveddeler: en anode, en katode, en elektrolytt og en separator. I vanlige mobilceller er anoden som regel laget av grafitt. Katoden er et litium-metalloksid, og den nøyaktige kjemien varierer med produsenten. Elektrolytten lar litiumionene bevege seg, mens separatoren hindrer elektrodene i å komme i kontakt med hverandre.

Når batteriet utlades, beveger litiumionene seg fra anoden til katoden gjennom elektrolytten. Elektronene går i stedet gjennom kretsene i telefonen. Denne strømmen driver skjermen, SoC-en, radioene, kameraene, lagringen og alt annet.

Under lading går prosessen motsatt vei. Laderen presser litiumionene tilbake i anoden, slik at cellen kan lagre energi igjen.

Det er hele grunnideen. Den virker. Helt til materialene ikke lenger oppfører seg som da de var nye.

Hvorfor batteriprosenten bare er et anslag

Telefonen måler ikke batteriprosenten som nivået i en drivstofftank. Det finnes ingen liten peilepinne inne i cellen.

Android anslår gjenværende lading ved hjelp av spenning, strøm, temperatur og en batterimodell. Noen enheter bruker også coulombtelling, som følger strømmen inn og ut over tid. Anslaget er godt når cellen er ny og forutsigbar. Det blir vanskeligere etter hvert som batteriet eldes.

En fulladet mobilcelle ligger ofte nær 4,2 V, men det nøyaktige tallet avhenger av kjemien og ladekonstruksjonen. Når batteriet nærmer seg tomt, slår telefonen seg av før cellen når en skadelig lav spenning. Prosenten på skjermen kobler spenningskurven til et tall som er lettere å forstå.

Problemet er at spenningskurven ikke er rett. Den er forholdsvis flat gjennom midten og brattere nær full og tom. Derfor kan 50 % føles stabilt, mens de siste 15 % forsvinner raskt på et eldre batteri.

Hvorfor batterier slites

Batterialdring er ikke én enkelt feil. Det er en samling små kjemiske og mekaniske endringer.

Vekst i SEI-laget

I løpet av de første ladesyklusene dannes et lag på anoden som kalles solid electrolyte interphase, eller SEI. Dette laget er nødvendig. Det slipper litiumioner gjennom, samtidig som det begrenser videre reaksjoner mellom elektrolytten og anoden.

Problemet er at SEI-laget fortsetter å forandre seg. For hver lading og utlading utvider og trekker anoden seg litt sammen. Små sprekker oppstår. Elektrolytten reagerer med de nye overflatene, og SEI-laget blir tykkere. Aktivt litium bindes i laget i stedet for å bevege seg mellom elektrodene.

Kapasiteten faller, den interne motstanden øker, og cellen utvikler mer varme under belastning.

Avleiring av metallisk litium

Litiumavleiring oppstår når litium legger seg som metall på overflaten av anoden i stedet for å gli inn i anodestrukturen. Det skjer lettere ved rask lading, når batteriet er kaldt, eller når cellen allerede er nesten full.

Dette er en av grunnene til at telefoner lades raskt ved lav prosent og bremser nær toppen. Hard lading av et kaldt eller nesten fullt batteri er en dårlig byttehandel.

I alvorlige tilfeller kan det avleirede litiumet vokse til dendritter, små metalliske strukturer som kan skade separatoren. Batteristyringen i telefoner er laget for å unngå dette, men den underliggende risikoen er reell nok til at produsentene tar den på alvor.

Aldring av katoden og elektrolytten

Katoden eldes også. Metallioner kan løses ut fra katoden og inn i elektrolytten, og selve elektrolytten brytes raskere ned ved høy temperatur og høy spenning. Disse reaksjonene reduserer kapasiteten og øker motstanden.

Når et batteri sveller, har det dannet seg gass inne i den forseglede posen. Da er det ikke lenger et kalibreringsproblem eller et innstillingsproblem. Slutt å bruke telefonen og få batteriet byttet.

Dette fremskynder aldringen

Varme er den store faktoren. Varme batterier eldes raskere, og telefonen kan bli varm av lading, spill, navigasjon, videoopptak, dårlig signal eller sollys. Den verste kombinasjonen er varme og høy ladetilstand, for eksempel en fulladet telefon på dashbordet eller under en pute mens den lades.

Høy spenning betyr også noe. En celle som holdes nær 100 %, utsettes for mer belastning enn en som ligger omtrent midt i ladeområdet. Derfor hjelper ladegrenser. De reduserer tiden batteriet tilbringer øverst på spenningskurven.

Dyp utlading er den andre siden av problemet. Telefonen beskytter cellen ved å slå seg av før spenningen blir virkelig farlig, men gjentatt utlading til null er fortsatt hardere for batteriet enn grunnere sykluser.

Det er her de praktiske rådene kommer fra. Hold batteriet kjølig. Bruk 20-80 % som en vane når det passer inn i dagen. Ikke bekymre deg for en full lading av og til. Unngå bare å gjøre 0-100 % til den normale syklusen.

Hvorfor grafitt har vært vanskelig å erstatte

Grafitt har holdt seg i mobilbatterier så lenge fordi det er kjedelig på den beste måten. Materialet er stabilt, rimelig og utvider seg langt mindre enn silisium under lading.

Begrensningen er kapasiteten. Grafitt lagrer omtrent 372 mAh per gram. Silisium kan lagre omtrent 4 200 mAh per gram, og derfor har silisium-karbonbatterier blitt så interessante for Android-telefoner. Problemet er at silisium utvider seg kraftig når det tar opp litium. Uten god konstruksjon sprekker materialet opp.

Det er avveiningen batteriingeniører stadig arbeider med: mer energi på samme plass, uten at anoden blir til støv etter noen titalls sykluser.

Hva dette betyr for telefonen din

Et godt styrt batteri kan holde seg brukbart i flere år. Et batteri som behandles dårlig, kan føles gammelt etter halvannet år. Tallene varierer fordi telefonstørrelse, kjøling, ladehastighet, programvare, klima og bruksvaner spiller inn.

Det nyttige er at du kan koble symptomer til årsaker. Hvis batterihelsen fortsatt er høy, men telefonen tappes gjennom natten, bør du lete etter bakgrunnsapper, wake locks eller signalproblemer. Hvis batterihelsen er under 80 % og telefonen slår seg av ved 20 %, er selve cellen sannsynligvis hovedproblemet. Hvis telefonen blir varm under hver lading, bør du løse det før du henger deg opp i små forskjeller i prosent.

Dette er også grunnen til at formuleringer om Android-versjoner kan være misvisende. Android 17 er nå tilgjengelig på støttede Pixel-enheter, men nyttige batteridata avhenger fortsatt av hva enheten rapporterer. Syklusantall ble offentlig tilgjengelig for apper i Android 14 når maskinvaren eksponerer verdien. Batterihelse i prosent er fortsatt mer produsentspesifikt.

runcheck er laget for denne typen diagnose. Batterihelse er nyttig alene, men blir mer nyttig når du kan sammenligne den med temperatur, ladeatferd og nettverksforhold.

Nedbrytning av litium-ion-batterier er uunngåelig. Dårlige vaner gjør bare at den kommer tidligere.

Kilder

1. Royal Society of Chemistry: Lithium ion battery degradation: what you need to know