Så fungerar litiumjonbatterier i telefoner och därför försämras de

När du förstår grunderna blir de vanliga råden mindre mystiska. Regeln 20-80 %, varningen för värme och anledningen till att gamla telefoner dör i förtid kommer från samma sak: litiumjoner rör sig genom en cell som förändras lite varje gång den används.

För batteriforskningen i den här artikeln stöder översikten av Edge med flera kapacitets- och effektförlust, ökad impedans samt effekter av temperatur, laddningsnivå, ström eller belastning, SEI-tillväxt och litiumplätering. Den fastställer inte tillverkarfunktioner, universella temperaturgränser för telefoner, tillbehörsval, reparationsråd eller priser, exakt livslängd, laddningstid eller garanterade konsumentresultat.

Cellens grunddelar

Ett litiumjonbatteri i en telefon har fyra huvuddelar: en anod, en katod, en elektrolyt och en separator. I vanliga mobilceller består anoden oftast av grafit. Katoden är en litiummetalloxid, och den exakta kemin beror på tillverkaren. Elektrolyten låter litiumjonerna röra sig, medan separatorn hindrar de två elektroderna från att komma i kontakt.

När batteriet laddas ur rör sig litiumjonerna från anoden till katoden genom elektrolyten. Elektronerna går i stället genom telefonens elektriska krets, och det elektronflödet driver skärmen, SoC, radiofunktioner, kameror, lagring och allt annat.

Vid laddning går processen åt andra hållet. Laddaren pressar tillbaka litiumjonerna in i anoden så att cellen kan lagra energi igen.

Det är grundtricket. Det fungerar. Tills materialen inte längre beter sig riktigt som när de var nya.

Varför procenttalet bara är en uppskattning

Telefonen mäter inte batteriprocent som bränslet i en tank. Det finns ingen liten mätsticka inne i cellen.

Android uppskattar den återstående laddningen med hjälp av spänning, ström, temperatur och en batterimodell. Vissa enheter använder också coulombräkning, som följer hur mycket ström som går in och ut över tid. Uppskattningen fungerar bra när cellen är ny och förutsägbar. Det blir svårare när batteriet åldras.

En fulladdad mobilcell ligger ofta nära 4,2 V, även om det exakta värdet beror på kemi och laddningskonstruktion. När batteriet närmar sig tomt stänger telefonen av sig innan cellen når en skadligt låg spänning. Det visade procenttalet översätter cellens spänningskurva till ett värde som är lättare att förstå.

Haken är att spänningskurvan inte är rak. Den är ganska plan i mitten och brantare nära fullt och tomt. Därför kan 50 % kännas stabilt, medan de sista 15 % rasar snabbt i ett äldre batteri.

Varför batterier slits

Batteriåldrande är inte ett enda fel. Det består av många små kemiska och mekaniska förändringar.

SEI-skiktet växer

Under de första laddningscyklerna bildas ett skikt på anoden som kallas solid electrolyte interphase, eller SEI. Skiktet behövs. Det släpper igenom litiumjoner och minskar samtidigt fortsatta reaktioner mellan elektrolyten och anoden.

Problemet är att SEI-skiktet fortsätter att förändras. Varje laddnings- och urladdningscykel får anoden att expandera och dra ihop sig lite. Små sprickor uppstår. Elektrolyten reagerar vid de nya ytorna och SEI-skiktet blir tjockare. Aktivt litium fastnar i skiktet i stället för att röra sig mellan elektroderna.

Kapaciteten sjunker, den interna resistansen stiger och cellen producerar mer värme under belastning.

Litiumplätering

Litiumplätering uppstår när litium avsätts som metall på anodens yta i stället för att passa in i anodens struktur. Risken är större vid snabb laddning, när batteriet är kallt eller när cellen redan är nästan full.

Det är en anledning till att telefoner laddar snabbt vid låga procenttal och saktar ned nära toppen. Att pressa ett kallt eller nästan fulladdat batteri hårt är en dålig kompromiss.

I allvarliga fall kan det avsatta litiumet växa till dendriter, små metallstrukturer som kan skada separatorn. Batterihanteringen i telefoner är utformad för att undvika det scenariot, men den underliggande risken är tillräckligt verklig för att tillverkarna ska ta den på allvar.

Katoden och elektrolyten åldras

Katoden åldras också. Metalljoner kan lösas ut från katoden i elektrolyten, och själva elektrolyten bryts ned snabbare vid hög temperatur och hög spänning. Reaktionerna minskar kapaciteten och ökar resistansen.

När ett batteri sväller har gas bildats inne i den förseglade påsen. Då handlar det inte längre om kalibrering eller inställningar. Sluta använda telefonen och få batteriet utbytt.

Det här påskyndar slitaget

Värme är den stora faktorn. Varma batterier åldras snabbare, och en telefon kan bli varm av laddning, spel, navigering, videoinspelning, dålig signal eller av att ligga i solen. Det värsta mönstret är värme i kombination med hög laddningsnivå, till exempel en fulladdad telefon på instrumentbrädan eller under en kudde medan den laddas.

Hög spänning spelar också roll. En cell som hålls nära 100 % utsätts för större belastning än en som ligger ungefär mitt i sitt laddningsintervall. Därför hjälper laddningsgränser. De minskar tiden högst upp på spänningskurvan.

Djup urladdning är problemets andra sida. Telefoner skyddar cellen genom att stänga av sig före en verkligt farlig låg spänning, men att upprepade gånger tömma batteriet till noll sliter ändå mer än grunda cykler.

Det är härifrån de praktiska råden kommer. Håll batteriet svalt. Använd 20-80 % som vana när det passar dagen. Få inte panik över enstaka fulladdningar. Undvik däremot att göra 0-100 % till den normala cykeln.

Varför grafit har varit svårt att slå

Grafit har funnits kvar så länge i mobilbatterier eftersom materialet är tråkigt på bästa möjliga sätt. Det är stabilt, prisvärt och expanderar mycket mindre än kisel under laddning.

Begränsningen är kapaciteten. Grafit lagrar omkring 372 mAh per gram. Kisel kan lagra omkring 4 200 mAh per gram, vilket är anledningen till att kisel-kolbatterier har blivit så intressanta för Androidtelefoner. Problemet är att kisel expanderar kraftigt när det tar upp litium. Utan noggrann konstruktion spricker materialet sönder.

Det är kompromissen som batteriingenjörer fortsätter att brottas med: mer energi i samma utrymme utan att anoden blir till damm efter några dussin cykler.

Vad det betyder för telefonen

Ett välskött batteri kan vara användbart i flera år. Ett illa behandlat batteri kan kännas gammalt efter ett och ett halvt år. De exakta siffrorna varierar eftersom telefonens storlek, kylning, laddningshastighet, programvara, klimat och användningsvanor spelar in.

Det användbara är att symtom kan kopplas till orsaker. Om batterihälsan fortfarande är hög men telefonen laddas ur under natten bör du leta efter bakgrundsappar, wake locks eller signalproblem. Om hälsan ligger under 80 % och telefonen stängs av vid 20 % är själva cellen troligen huvudproblemet. Om telefonen blir varm vid varje laddning bör du lösa det innan du börjar grubbla över små skillnader i procent.

Det är också därför formuleringar om Androidversioner kan bli missvisande. Android 17 finns nu på de flesta Pixelmodeller som stöds, men användbar batteridiagnostik beror fortfarande på vilka uppgifter enheten rapporterar. Antalet laddningscykler blev offentligt läsbart för appar i Android 14 när hårdvaran lämnar ut värdet. Procentvärdet för batterihälsa är fortfarande mer tillverkarspecifikt.

runcheck är byggt för den typen av diagnostik. Batterihälsa är användbar i sig, men blir mer värdefull när den kan jämföras med temperatur, laddningsbeteende och nätverksförhållanden.

Nedbrytningen av litiumjonbatterier går inte att undvika. Dåliga vanor gör bara att den märks tidigare.

Källor

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