Kuinka litiumakku-teknologia vaikuttaa iPhone-akun kestoon ja suorituskykyyn

Litiumakku iPhoneen: Peruskemiallinen koostumus, suunnittelurajoitukset ja käytännön rappeutuminen

LCO:sta NMC-sekoituksiin: Kuinka katodikehitys paransi energiatiukkuutta ja lämpötilavakautta

Varhaiset iPhone-mallit käyttivät litiumpatterit litium-kobolttioksidipohjaisten (LCO) katodien kanssa. Ne olivat erinomaisia siihen, että niillä saatiin paljon tehoa mahtumaan pieniin tiloihin, mutta niillä oli vakavia vakausongelmia, kun niitä ladattiin yli 4,2 volttia. Nopea lataus saattoi johtaa vaarallisissa ongelmiin, kuten lämpötilan äkilliseen nousuun ja dendriittien muodostumiseen akkukopissa. Siitä on kulunut melko paljon aikaa, ja asiat ovat muuttuneet huomattavasti. Nykyiset iPhone-mallit käyttävät sen sijaan nikkeli-mangaani-koboltti (NMC) -katodiseoksia. Tämä uusi kaava vähentää koboltin käyttöä noin 60 prosenttia ja lisää nikkelin osuutta seoksessa. IEC 62133-2 -standardien mukaisesti suoritetun testauksen mukaan tämä muutos tarkoittaa, että akkujen säilyttämiskyky varauksensa kapasiteetista on noin 20 prosenttia parempi 500 latauskerran jälkeen. Mangaani auttaa pitämään akun rakenteen vakautena ja estää liiallista hapen vapautumista lämpötilan noustessa. Nikkeli mahdollistaa korkeamman jännitetasojen käytön turvallisesti. Kaikki nämä parannukset toimivat yhdessä luodakseen paremman lämmönhallinnan näissä erinomaisen ohuissa puhelinkerroissa. Tämä on erityisen tärkeää, koska Apple jatkaa sisäisen tilan kutistamista samalla kun laitteiden suorituskykyä halutaan säilyttää ennallaan.

Erittäin ohut muotokerros vs. lämmönhallinta: Miksi iPhone-tuotteet priorisoivat kokoa jäähdytyksen sijaan

Suunnittelussa Apple asettaa ohuuden eteenpäin eikä keskity vakavaan lämmönhallintaan. Tarkastellaan esimerkiksi iPhoneja – niissä on lämmönvaihtomateriaaleille varattu vain noin 1,5 mm, mikä on itse asiassa noin kaksi kolmasosaa vähemmän kuin useimmissa huippuluokan Android-puhelimissa. Tämän rajoituksen vuoksi näiden laitteiden sisälämpötilat voivat nousta 8–12 astetta Celsius-asteikolla vaativissa tehtävissä, kuten 4K-videojen vientiprosessissa tai lisätyn todellisuuden sovellusten käytössä. Puhelimessa on kyllä grafiittisia lämmönjakajia ja alumiininen kansi, jotka auttavat passiivisessa lämmön hajaantumisessa, mutta nämä eivät riitä, kun kuorma jatkuu pidempään aikaan. Tämä johtaa myös nopeampaan akun ikääntymiseen. Joistakin perusfysiikan laeista johtuen Applelle tarvittaisiin parempia jäähdytysratkaisuja, kuten kuparista valmistettuja lämmönjohtoputkia tai höyrykammiota, jolloin puhelimien tulisi olla noin 40 % paksuempia – mikä on selvästi ristiriidassa heidän tunnetun tyylikkään suunnittelustandardinsa kanssa. Mielenkiintoisesti riittävän tuoreen Statistan kuluttajatutkimuksen (2023) mukaan noin 78 % ihmisistä suosii edelleen ohuita laitteita niiden korkeampaa lämmönhallintatehokkuutta tarjoavia laitteita vastaan, vaikka he tietävätkin, että ohuemmat rakenteet aiheuttavat akun nopeampaa ikääntymistä ajan mittaan.

Akun rappeutuminen käytännössä: ymmärretään akun kunnon (SoH) ja käytettävissä olevan kapasiteetin käsitteitä sekä Applen raportointirajoituksia

Kemialliset ikääntymisen tekijät: SEI-kerroksen kasvu, litiumsaostuma ja niiden vaikutus iPhone-akun kestoon

Iphonen akussa tapahtuu periaatteessa kaksi asiaa, joita ei voida kumota ajan myötä: kiinteän elektrolyytin rajapinnan (SEI) muodostuminen ja niin sanottu metallisen litiumin pinnoittuminen. Kun aloitamme käyttää puhelimiamme, SEI-kerros alkaa muodostua luonnollisesti varhaisilla latauskiertoilla. Mutta kun jatkamme akun lataamista ja purkamista, tämä kerros kasvaa yhä paksuammaksi, mikä vähentää aktiivisia litiumioneja ja pakottaa akun työskentelemään vaikeammin kasvavan sisäisen vastuksen vuoksi. Toinen ongelma ilmenee latausolosuhteissa, kuten kylmässä sävässä alle 10 astetta Celsius, nopealla latausnopeudella normaalia korkeammalla tasolla tai kun akku on lähes täysin ladattu. Tämä aiheuttaa reaktiivisen metallisen litiumin saostumia anodin pinnalle, mikä ei ainoastaan vähentä käytettävissä olevaa litiumia tulevien kiertojen varalta, vaan aiheuttaa myös pieniä oikosulkuja akun sisällä. Useimmat käyttäjät huomaavat akun kapasiteetin laskevan noin 3–5 prosenttia vuodessa normaalissa käytössä. Kuitenkin, jos puhelinta pidetään jatkuvasti kuumassa ympäristössä, jossa lämpötila ylittää 35 astetta Celsius, tämä menetys voi tuplaantua joissakin teollisuusstandardeissa määritellyn mukaan. Nämä ongelmat ovat erityisen turhauttavia, koska toisin kuin laitteen muiden osien fyysinen kulumisvaurio, nämä kemialliset muutokset kertyvät ajan myötä ja niitä ei voida kumota edes silloin, kun puhelinta käytetään hyvin vähän. Jo kahden vuoden kuluttua hyllyllä useat iPhone-tuotteet näyttävät edelleen huomattavia merkkejä terveyden heikkenemisestä.

Miksi 'akun kunnon' % ei ole suora mittari käytettävästä kapasiteetista – ja mitä se todellisuudessa heijastaa

Apple:n näyttämä akun kunnon prosenttimäärä ei itse asiassa mitaa suoraan akun kapasiteettia. Sen sijaan se perustuu siihen, kuinka akku reagoi jännitteen muutoksiin, tarkastelee sisäisen vastuksen käyttäytymistä ajan myötä ja ottaa huomioon akun lämpöhistorian, samalla kun se täyttää UL 2580 -turva-standardeja. Kun näemme arvon 100 %, se tarkoittaa, että kaikki toimii normaalien parametrien mukaisesti, mikä tulee jännitteen vakauden osalta. Noin 85 %:n kohdalla havaitaan huomattavia eroja akun energian purkutavassa, vaikka tämä ei tarkoita sitä, että jossakin olisi menetetty tarkalleen 15 % kapasiteetista. Applelle tärkeintä on pitää laitteet luotettavina pikemminkin kuin olla erinomainen tarkkuus numeroiden osalta. Siksi he suosittelevat huollon hankkimista, kun akun kunnon arvo laskee 80 %:iin. Tämä ei johtu yksinkertaisesti siitä, että 20 % kapasiteetista olisi kadonnut, vaan siitä, että esimerkiksi jännitteen lasku latauksen aikana alkaa aiheuttaa ongelmia turvalliselle toiminnalle. Siksi vaikka kaksi iPhone-laitetta näyttäisikin saman kunnon prosenttimäärän, niiden todellinen akun kesto voi vaihdella melko paljon sen mukaan, miten niitä käytetään, millaisiin lämpötiloihin ne joutuvat päivittäin ja joskus vain pienistä ohjelmistokalibrointieroista laitteiden välillä.

Lämpötila ja lataustavat: Tärkeimmät käyttäjän ohjattavissa olevat tekijät, joilla voidaan pidentää iPhone-litiumakun käyttöikää

Kuumenemisen kiihtyminen: Kuinka jatkuva yli 35 °C:n lämpötila kaksinkertaistaa akun rappeutumisnopeuden käytännön olosuhteissa

IPhone-laitteiden käyttö jatkuvasti yli 35 asteen lämpötilassa on todellakin huono uutinen niiden akkuille. Yhdysvaltojen energiaministeriön tutkimusten mukaan, kun puhelimet kuumenevat liikaa, niin sanottu SEI-kerros kasvaa nopeammin ja litium alkaa sijoittua elektrodeihin, mikä vähentää latauskertojen määrää ennen kuin laitteet alkavat menettää tehoaan. Ongelma pahenee, koska iPhone-laitteissa ei ole sisäänrakennettuja jäähdytysjärjestelmiä. Tämä tekee niistä erityisen herkkiä esimerkiksi GPS-navigoinnin, mobiilipelistämisn tai langattoman latauksen aikana lämpimässä paikassa. Pelkkä iPhone-laitteen jättäminen pysäköityyn autoon aurinkoisena päivänä tai sen asettaminen tuulilasin eteen aurinkoon altistuneeseen paikkaan voi nostaa laitteen sisäistä lämpötilaa yli 50 asteeseen Celsius-asteikolla, mikä aiheuttaa peruuttamatonta vahinkoa akun komponenteille. Niille, jotka haluavat puhelimensa kestävän pidempään, on useita yksinkertaisia toimenpiteitä, joita kannattaa muistaa. Älä lataa laitetta tai käytä vaativia sovelluksia suorassa auringonvalossa, jos mahdollista. Poista taustalla toimivien sovellusten päivitystoiminto käytöstä kaupungin sisällä liikkuessa. Muista myös ottaa suojakotelo pois ennen pitkäaikaista latausta, sillä nämä koteloit usein pidättävät lämmön laitteen sisällä.

20–80 %-sääntö uudelleen tarkasteltuna: Syvyyden purkamisen todisteet ja käytännön latausohjeet

Osittainen lataus pidentää merkittävästi litiumioniakkujen käyttöikää. Julkaisuissa, jotka on julkaistu lehdessä Journal of The Electrochemical Society on osoitettu, että purkamissyvyyden rajoittaminen 20–80 %:iin sen sijaan, että se olisi 0–100 %, voi kolminkertaistaa saavutettavien lataus- ja purkukierrosten kokonaismäärän vähentämällä katodiverkon jännitystä ja estämällä litiumsaostumia. Jokapäiväisessä iPhone-käytössä:

• Irrota laite latauksesta ennen kuin se saavuttaa 100 %-tason – erityisesti yöksi – sillä täydessä latauksessa pidetty anodi on korkeammassa potentiaalissa, mikä kiihdyttää sivureaktioita
• Lataa uudelleen ennakoivasti noin 20 %:n tasolla ja vältä syviä purkauksia, jotka rasittavat katodirakennetta
• Ota käyttöön Optimoitu akkulataus , joka oppii käyttäjän päivätyötä ja viivästää lopullista latausta 100 %:iin niin kauan kuin se ei ole tarpeen – näin vähennetään aikaa, jonka akku viettää korkeassa jännitetilassa, ilman että käyttäjän tarvitsee muuttaa käyttäytymistään