تأثیر فناوری باتری‌های لیتیوم بر عمر و عملکرد باتری آیفون

باتری لیتیومی برای آیفون: شیمی اصلی، محدودیت‌های طراحی و افت عملکرد در دنیای واقعی

از LCO تا ترکیب‌های NMC: چگونه تحول کاتد، چگالی انرژی و پایداری حرارتی را بهبود بخشید

مدل‌های اولیهٔ آیفون از باتری‌های لیتیومی با کاتد اکسید لیتیوم-کبالت (LCO). این باتری‌ها برای جای‌دهی مقدار زیادی انرژی در فضاهای کوچک عالی بودند، اما هنگام شارژ شدن فراتر از ۴٫۲ ولت مشکلات جدی پایداری داشتند. شارژ سریع می‌توانست منجر به مشکلات خطرناکی مانند واکنش گرمایی نامطلوب (thermal runaway) و رشد دندریت‌ها درون سلول‌های باتری شود. از آن زمان تاکنون تغییرات قابل توجهی رخ داده است. مدل‌های فعلی آیفون از ترکیب کاتد نیکل-منگنز-کبالت (NMC) استفاده می‌کنند. این فرمول جدید مصرف کبالت را حدود ۶۰ درصد کاهش داده و نقش نیکل را در این ترکیب افزایش داده است. بر اساس آزمایش‌های انجام‌شده مطابق استاندارد IEC 62133-2، این تغییر باعث می‌شود ظرفیت نگهداری بار باتری‌ها پس از ۵۰۰ چرخه شارژ حدود ۲۰ درصد بهتر باشد. منگنز به حفظ پایداری ساختار باتری کمک می‌کند و از آزاد شدن بیش از حد اکسیژن در دماهای بالا جلوگیری می‌نماید. نیکل امکان دستیابی به سطوح ولتاژ بالاتر را بدون ایجاد خطرات ایمنی فراهم می‌سازد. تمام این بهبودها در کنار هم مدیریت حرارتی بهتری را در بدنه‌های بسیار نازک گوشی‌ها ایجاد می‌کنند. این امر بسیار مهم است، چرا که اپل به‌طور مداوم فضای داخلی دستگاه‌های خود را کوچک‌تر می‌کند، در حالی که همچنان انتظار دارد عملکردی یکسان از آن‌ها داشته باشد.

فرم عامل فوق‌العاده نازک در مقابل مدیریت حرارتی: چرا آیفون‌ها اولویت اندازه را بر سرمایش قرار می‌دهند

وقتی به طراحی اشاره می‌شود، اپل اولویت اول خود را بر نازک‌بودن دستگاه‌ها قرار می‌دهد و نه مدیریت حرارتی جدی. به آیفون‌ها نگاه کنید — آن‌ها تنها حدود ۱٫۵ میلی‌متر فضای اختصاص‌یافته برای مواد رابط حرارتی دارند که در واقع تقریباً دو سوم کمتر از فضایی است که بیشتر گوشی‌های پرچم‌دار اندرویدی در این زمینه ارائه می‌دهند. به دلیل این محدودیت، دمای داخل این دستگاه‌ها هنگام انجام وظایف سنگین مانند صادرسازی ویدئوهای ۴K یا اجرای برنامه‌های واقعیت افزوده می‌تواند ۸ تا ۱۲ درجه سلسیوس افزایش یابد. این گوشی‌ها دارای پخش‌کننده‌های حرارتی گرافیتی و بدنه‌ای از آلومینیوم هستند که به پراکندگی گرما به‌صورت غیرفعال کمک می‌کنند، اما این امکانات در شرایطی که بار کاری برای مدت طولانی ادامه یابد، کافی نیستند. این امر منجر به افت سریع‌تر عمر باتری نیز می‌شود. بر اساس برخی قوانین بنیادی فیزیک، اگر اپل بخواهد راه‌حل‌های خنک‌کننده‌ی بهتری مانند لوله‌های حرارتی مسی یا اتاقک‌های بخار در گوشی‌های خود به کار گیرد، ضخامت این دستگاه‌ها باید حدود ۴۰ درصد افزایش یابد؛ افزایشی که آشکارا با استانداردهای طراحی ظریف و برجسته‌ی این شرکت در تضاد است. جالب اینجاست که بر اساس تحقیقات اخیر مصرف‌کنندگان انجام‌شده توسط «استاتیستا» در سال ۲۰۲۳، حدود ۷۸ درصد افراد همچنان دستگاه‌های نازک‌تر را نسبت به دستگاه‌هایی با عملکرد حرارتی عالی‌تر ترجیح می‌دهند، حتی با اینکه می‌دانند ساختارهای نازک‌تر با گذشت زمان منجر به کاهش سریع‌تر عمر باتری می‌شوند.

کاهش عملکرد باتری در عمل: درک سلامت باتری (SoH)، ظرفیت قابل استفاده و محدودیت‌های گزارش‌دهی اپل

عوامل شیمیایی پیری باتری: رشد لایه SEI، پوشش‌دهی لیتیوم و تأثیر آن‌ها بر عمر باتری آیفون

در اصل دو پدیده اصلی در داخل باتری‌های آیفون رخ می‌دهد که با گذشت زمان غیرقابل برگشت هستند: رشد لایهٔ فاز بین‌الملی جامد الکترولیت (SEI) و آنچه که «پوشش‌دهی لیتیوم فلزی» نامیده می‌شود. هنگامی که استفاده از تلفن‌مان را آغاز می‌کنیم، لایهٔ SEI به‌صورت طبیعی در طول چرخه‌های شارژ اولیه شکل می‌گیرد. اما با ادامهٔ فرآیندهای شارژ و دشارژ باتری، این لایه به‌تدریج ضخیم‌تر می‌شود؛ که این امر منجر به کاهش یون‌های لیتیوم فعال و افزایش مقاومت داخلی باتری شده و عملکرد باتری را سخت‌تر می‌کند. مشکل دیگری نیز در شرایط شارژ خاصی مانند هوای سرد زیر ۱۰ درجه سانتی‌گراد، سرعت شارژ سریع‌تر از حد معمول یا زمانی که باتری تقریباً کاملاً شارژ شده است، رخ می‌دهد. این شرایط منجر به تشکیل رسوباتی از لیتیوم فلزی واکنش‌پذیر روی سطح آند می‌شود که نه‌تنها مقدار لیتیوم قابل‌استفاده برای چرخه‌های بعدی را کاهش می‌دهد، بلکه باعث ایجاد اتصال‌کوتاه‌های میکروسکوپی درون باتری نیز می‌شود. بیشتر کاربران در شرایط عادی متوجه کاهش ظرفیت باتری به‌میزان حدود ۳ تا ۵ درصد در هر سال می‌شوند. با این حال، اگر تلفن‌ها به‌طور مداوم در محیط‌های گرم‌تر از ۳۵ درجه سانتی‌گراد قرار گیرند، بر اساس برخی استانداردهای segu صنعتی، این کاهش ظرفیت می‌تواند دو برابر شود. آنچه این مشکلات را به‌ویژه ناامیدکننده می‌سازد این است که برخلاف سایر اجزای دستگاه که دچار سایش فیزیکی می‌شوند، این تغییرات شیمیایی به‌تدریج انباشته می‌شوند و حتی در مورد آیفون‌هایی که کم‌کاربرد هستند نیز غیرقابل برگشت هستند. پس از تنها دو سال قرار گرفتن روی قفسه، بسیاری از آیفون‌ها همچنان نشانه‌های واضحی از کاهش سلامت باتری از خود نشان می‌دهند.

چرا درصد «سلامت باتری» معیاری مستقیم از ظرفیت قابل استفاده نیست — و در واقع چه چیزی را منعکس می‌کند

درصد سلامت باتری که توسط اپل نمایش داده می‌شود، در واقع ظرفیت باتری را به‌صورت مستقیم اندازه‌گیری نمی‌کند. بلکه این درصد بر اساس واکنش باتری به تغییرات ولتاژ، الگوهای مقاومت داخلی در طول زمان و سابقه حرارتی آن تعیین می‌شود، ضمن اینکه تمام این فرآیندها باید استانداردهای ایمنی UL 2580 را رعایت کنند. وقتی مقدار ۱۰۰٪ را مشاهده می‌کنیم، یعنی همه چیز از نظر پایداری ولتاژ در محدودهٔ پارامترهای عادی عمل می‌کند. در حدود ۸۵٪، تفاوت‌های قابل‌توجهی در نحوه تخلیه انرژی باتری مشاهده می‌شود، هرچند این به معنای این نیست که دقیقاً ۱۵٪ از ظرفیت باتری در جایی از بین رفته است. آنچه برای اپل مهم‌ترین است، حفظ قابلیت اطمینان دستگاه‌هاست نه دقت فوق‌العاده در اعداد و ارقام. به همین دلیل اپل توصیه می‌کند که زمانی که سلامت باتری به ۸۰٪ برسد، خدمات تعمیر و نگهداری دریافت شود. این توصیه صرفاً به این دلیل نیست که ۲۰٪ ظرفیت باتری از بین رفته است، بلکه به این خاطر است که پدیده‌هایی مانند افت ولتاژ در حین شارژ شدن شروع به ایجاد مشکلاتی برای عملکرد ایمن دستگاه می‌کنند. بنابراین حتی اگر دو آیفون نشان‌دهنده یک درصد سلامت یکسان باشند، عمر واقعی باتری آن‌ها می‌تواند بسته به نحوه استفاده کاربران، دماهای روزانه‌ای که دستگاه‌ها در معرض آن قرار می‌گیرند و گاهی اوقات تنها به دلیل تفاوت‌های جزئی در کالیبراسیون نرم‌افزاری بین دستگاه‌ها، تفاوت قابل‌توجهی داشته باشد.

دمای محیط و عادات شارژ: عوامل کلیدی که کاربران می‌توانند بر آنها کنترل داشته باشند تا عمر باتری لیتیوم آیفون را افزایش دهند

شتاب‌دهنده حرارتی: چگونه کارکرد طولانی‌مدت در دمای بالاتر از ۳۵ درجه سانتی‌گراد، نرخ تخریب باتری را در شرایط واقعی دو برابر می‌کند

کار کردن مداوم آیفون‌ها در دمای بالاتر از ۳۵ درجه سانتی‌گراد خبر واقعاً بدی برای باتری‌های آن‌هاست. تحقیقات انجام‌شده توسط وزارت انرژی ایالات متحده نشان می‌دهد که هنگامی که گوشی‌ها بیش از حد گرم می‌شوند، لایه‌ای به نام «لایه SEI» سریع‌تر رشد می‌کند و فرآیند «پوشش‌دهی لیتیوم» روی الکترودها آغاز می‌شود؛ این امر تعداد دوره‌های شارژ قابل انجام قبل از افت توان باتری را کاهش می‌دهد. این مشکل به دلیل اینکه آیفون‌ها سیستم‌های خنک‌کننده داخلی ندارند، تشدید می‌شود؛ بنابراین این گوشی‌ها در هنگام انجام فعالیت‌هایی مانند استفاده از GPS برای راهنمایی، اجرای بازی‌های موبایلی یا شارژ بی‌سیم در محیط‌های گرم، بسیار حساس‌تر می‌شوند. حتی قرار دادن یک آیفون در ماشینی که در روز آفتابی در پارکینگ ایستاده است یا قرار دادن آن روی صفحه‌نمایش (داشبورد) خودرو در معرض نور مستقیم خورشید، می‌تواند دمای داخلی گوشی را به بیش از ۵۰ درجه سانتی‌گراد برساند و آسیب‌های غیرقابل‌بازگشتی به اجزای باتری وارد کند. برای کسانی که می‌خواهند عمر گوشی‌شان طولانی‌تر باشد، چند اقدام ساده وجود دارد که ارزش به یاد سپردن دارد: تا جایی که امکان‌پذیر است، از شارژ کردن گوشی یا اجرای برنامه‌های سنگین در معرض نور مستقیم خورشید خودداری کنید؛ هنگام حرکت در شهر، قابلیت «به‌روزرسانی پس‌زمینه برنامه‌ها» را غیرفعال کنید؛ و همچنین پوشش‌های محافظ گوشی را قبل از شارژ طولانی‌مدت بردارید، زیرا این پوشش‌ها اغلب گرما را درون دستگاه به دام می‌اندازند.

بازنگری در قانون ۲۰٪ تا ۸۰٪: شواهد مربوط به عمق تخلیه و راهنمای عملی برای شارژ کردن

شارژ جزئی به‌طور قابل‌توجهی عمر باتری‌های لیتیوم‌یون را افزایش می‌دهد. مطالعات منتشرشده در مجله جامعه الکتروشیمی نشان می‌دهند که محدود کردن عمق تخلیه به محدوده ۲۰ تا ۸۰ درصد، به‌جای ۰ تا ۱۰۰ درصد، با کاهش کرنش شبکه کاتد و سرکوب پوشش‌دهی لیتیوم، می‌تواند تعداد کل چرخه‌های قابل‌دستیابی را سه‌برابر کند. برای استفاده روزانه از آیفون:

• قبل از رسیدن به ۱۰۰ درصد آن را از پریز خارج کنید—به‌ویژه در طول شب—زیرا نگه‌داشتن باتری در حالت شارژ کامل، پتانسیل آند را افزایش داده و واکنش‌های جانبی را تسریع می‌کند.
• در حدود ۲۰ درصد به‌صورت پیش‌گیرانه شارژ را آغاز کنید و از تخلیه عمیق که ساختار کاتد را تحت فشار قرار می‌دهد، اجتناب نمایید.
• امکان می‌دهد شارژ بهینه‌سازی‌شده باتری که روال شما را یاد می‌گیرد و شارژ نهایی تا ۱۰۰ درصد را تا زمانی که نیاز باشد، به تأخیر می‌اندازد—بدون اینکه نیازی به تغییر رفتار شما باشد، زمان اقامت در سطوح ولتاژ بالا را کاهش می‌دهد.