लिथियम बैटरी प्रौद्योगिकी का आईफोन की बैटरी जीवनकाल और प्रदर्शन पर क्या प्रभाव पड़ता है

IPhone के लिए लिथियम बैटरी: मूल रसायन विज्ञान, डिज़ाइन प्रतिबंध और वास्तविक दुनिया में क्षरण

LCO से NMC मिश्रण तक: कैथोड के विकास ने ऊर्जा घनत्व और तापीय स्थिरता में कैसे सुधार किया

IPhone के प्रारंभिक मॉडलों में उपयोग किया गया था लिथियम बैटरीज़ लिथियम कोबाल्ट ऑक्साइड (LCO) कैथोड के साथ। ये छोटी जगह में बहुत अधिक शक्ति को संकुचित करने के लिए उत्कृष्ट थे, लेकिन 4.2 वोल्ट से अधिक आवेशित करने पर इनमें गंभीर स्थिरता समस्याएँ होती थीं। तीव्र आवेशन के कारण बैटरी सेलों के अंदर ऊष्मीय अनियंत्रण और डेंड्राइट वृद्धि जैसी खतरनाक समस्याएँ उत्पन्न हो सकती थीं। तब से चीजें काफी बदल गई हैं। वर्तमान आईफोन मॉडल्स में निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट (NMC) कैथोड मिश्रण का उपयोग किया जाता है। यह नया सूत्र कोबाल्ट के उपयोग को लगभग 60 प्रतिशत तक कम कर देता है और समीकरण में निकल की भूमिका को बढ़ाता है। IEC 62133-2 मानकों के अनुसार किए गए परीक्षणों के अनुसार, इस परिवर्तन के कारण बैटरियाँ 500 आवेशन चक्रों के बाद अपनी आवेश क्षमता को लगभग 20% बेहतर तरीके से बनाए रखती हैं। मैंगनीज बैटरी की संरचना को स्थिर रखने में सहायता करता है और तापमान बढ़ने पर अत्यधिक ऑक्सीजन मुक्ति को रोकता है। निकल उच्च वोल्टेज स्तरों की अनुमति देता है, बिना सुरक्षा को जोखिम में डाले। ये सभी सुधार मिलकर उन अत्यंत पतले फोन शरीरों के भीतर बेहतर ऊष्मा प्रबंधन को सुनिश्चित करते हैं। यह वास्तव में महत्वपूर्ण है क्योंकि ऐपल आंतरिक स्थान को लगातार कम कर रहा है, जबकि अपने उपकरणों से अभी भी उतना ही प्रदर्शन प्राप्त करना चाहता है।

अत्यंत पतला फॉर्म फैक्टर बनाम थर्मल मैनेजमेंट: आईफोन्स शीतलन के बजाय आकार को क्यों प्राथमिकता देते हैं

डिज़ाइन के मामले में, एप्पल गंभीर थर्मल प्रबंधन पर ध्यान केंद्रित करने के बजाय पतलापन को प्राथमिकता देती है। आइफोन्स पर एक नज़र डालिए — इनमें थर्मल इंटरफ़ेस सामग्रियों के लिए केवल लगभग 1.5 मिमी की जगह आवंटित की गई है, जो वास्तव में अधिकांश फ्लैगशिप एंड्रॉयड फोन्स की तुलना में लगभग दो-तिहाई कम है। इस सीमा के कारण, जब ये डिवाइस 4K वीडियो एक्सपोर्ट करने या ऑगमेंटेड रियलिटी एप्लिकेशन चलाने जैसे भारी कार्य करते हैं, तो इनके आंतरिक तापमान में 8 से 12 डिग्री सेल्सियस तक की वृद्धि हो सकती है। फोन में ग्रेफाइट हीट स्प्रेडर्स और एल्युमीनियम बॉडी हैं, जो ऊष्मा को निष्क्रिय रूप से कम करने में सहायता करते हैं, लेकिन जब कार्यभार लंबे समय तक जारी रहता है, तो ये पर्याप्त नहीं होते। इससे बैटरी के तेज़ी से बुरी तरह बूढ़े होने की समस्या भी उत्पन्न होती है। भौतिकी के कुछ मूल नियमों के अनुसार, यदि एप्पल को तांबे के हीट पाइप्स या वेपर चैम्बर जैसे बेहतर कूलिंग समाधान चाहिए होते, तो उनके फोनों को लगभग 40% अधिक मोटा होना पड़ता, जो स्पष्ट रूप से उनके हस्ताक्षर वाले स्लीक डिज़ाइन मानकों के विरुद्ध होता। और रोचक बात यह है कि, स्टैटिस्टा द्वारा 2023 में किए गए हालिया उपभोक्ता अनुसंधान के अनुसार, लगभग 78% लोग उन्नत थर्मल प्रदर्शन वाले डिवाइस की तुलना में पतले डिवाइस को वरीयता देते हैं, भले ही वे जानते हों कि पतले डिज़ाइन बैटरी को समय के साथ तेज़ी से क्षीण कर देते हैं।

व्यवहार में बैटरी का क्षरण: सोह (SoH), उपयोग करने योग्य क्षमता और ऐपल की रिपोर्टिंग सीमाओं को समझना

रासायनिक आयु वृद्धि के कारक: एसईआई (SEI) का विकास, लिथियम प्लेटिंग और आईफोन की बैटरी जीवन पर उनका प्रभाव

आईफोन की बैटरियों के अंदर मूल रूप से दो ऐसी चीजें होती हैं जो समय के साथ अनुलटनीय हो जाती हैं: ठोस-विद्युत-अपघट्य अंतरापृष्ठ (SEI) परत का निर्माण और जिसे धात्विक लिथियम प्लेटिंग कहा जाता है। जब हम अपने फोन का उपयोग शुरू करते हैं, तो SEI परत प्रारंभिक चार्जिंग चक्रों के दौरान स्वाभाविक रूप से बनना शुरू हो जाती है। लेकिन जैसे-जैसे हम बैटरी को लगातार चार्ज और डिस्चार्ज करते रहते हैं, यह परत लगातार मोटी होती रहती है, जिससे सक्रिय लिथियम आयनों की मात्रा कम हो जाती है और बैटरी को बढ़ते आंतरिक प्रतिरोध के खिलाफ अधिक काम करना पड़ता है। दूसरी समस्या ठंडे मौसम (10 डिग्री सेल्सियस से कम), सामान्य से अधिक तेज़ चार्जिंग गति, या बैटरी के लगभग पूरी तरह से चार्ज होने की स्थिति जैसी चार्जिंग शर्तों के दौरान उत्पन्न होती है। इससे एनोड की सतह पर अत्यधिक क्रियाशील धात्विक लिथियम के जमाव बन जाते हैं, जो भविष्य के चक्रों के लिए उपलब्ध लिथियम की मात्रा को कम करते हैं और बैटरी के अंदर सूक्ष्म शॉर्ट सर्किट भी उत्पन्न करते हैं। अधिकांश उपयोगकर्ताओं को सामान्य परिस्थितियों में प्रति वर्ष लगभग 3 से 5 प्रतिशत की बैटरी क्षमता की कमी महसूस होगी। हालाँकि, कुछ उद्योग मानकों के अनुसार, यदि बैटरी को लगातार 35 डिग्री सेल्सियस से अधिक गर्म वातावरण में रखा जाए, तो यह क्षति वास्तव में दोगुनी हो सकती है। इन समस्याओं को विशेष रूप से असहनीय बनाने वाली बात यह है कि हमारे उपकरणों के अन्य भागों पर शारीरिक क्षरण और घिसावट के विपरीत, ये रासायनिक परिवर्तन समय के साथ लगातार जमा होते रहते हैं और यहाँ तक कि उन फोन्स के लिए भी अनुलटनीय हैं जिनका उपयोग बहुत कम किया गया हो। केवल दो वर्षों तक शेल्फ पर रखे जाने के बाद भी, कई आईफोन्स में स्वास्थ्य में स्पष्ट रूप से कमी के संकेत दिखाई देते हैं।

क्यों 'बैटरी स्वास्थ्य' % उपयोग करने योग्य क्षमता का सीधा माप नहीं है — और यह वास्तव में क्या दर्शाता है

एपल द्वारा दिखाया गया बैटरी स्वास्थ्य प्रतिशत वास्तव में बैटरी क्षमता को सीधे नहीं मापता है। इसके बजाय, यह बैटरी के वोल्टेज परिवर्तनों के प्रति प्रतिक्रिया के आधार पर है, समय के साथ आंतरिक प्रतिरोध के पैटर्न का विश्लेषण करता है, और इसके तापीय इतिहास को भी ध्यान में रखता है—सभी के साथ-साथ UL 2580 सुरक्षा मानकों का पालन करते हुए। जब हम 100% देखते हैं, तो इसका अर्थ है कि वोल्टेज स्थिरता के मामले में सब कुछ सामान्य पैरामीटर के भीतर काम कर रहा है। लगभग 85% पर, बैटरी द्वारा ऊर्जा को निर्वहन करने के तरीके में स्पष्ट अंतर देखे जा सकते हैं, हालाँकि इसका यह अर्थ नहीं है कि कहीं न कहीं क्षमता का ठीक 15% हानि हो गई है। एपल के लिए सबसे महत्वपूर्ण बात उपकरणों को विश्वसनीय बनाए रखना है, न कि संख्याओं के संदर्भ में अत्यधिक सटीक होना। इसीलिए वे स्वास्थ्य 80% तक गिरने पर सेवा लेने की सिफारिश करते हैं। यह केवल इसलिए नहीं है क्योंकि क्षमता का 20% गायब हो गया है, बल्कि इसलिए क्योंकि चार्जिंग के दौरान वोल्टेज ड्रॉप जैसी चीजें सुरक्षित संचालन के लिए समस्याग्रस्त होने लगती हैं। अतः यहाँ तक कि यदि दो आईफोन एक ही स्वास्थ्य प्रतिशत दिखाते हैं, तो उनका वास्तविक बैटरी जीवन उपयोगकर्ताओं द्वारा उनका उपयोग करने के तरीके, दैनिक अनुभव किए गए तापमान और कभी-कभी उपकरणों के बीच सॉफ्टवेयर कैलिब्रेशन में हल्के अंतर के कारण काफी भिन्न हो सकता है।

तापमान और चार्जिंग की आदतें: आईफोन की लिथियम बैटरी के जीवनकाल को बढ़ाने के लिए उपयोगकर्ताओं द्वारा नियंत्रित किए जा सकने वाले प्रमुख कारक

ऊष्मा का त्वरण: 35°C से अधिक तापमान पर लगातार कार्य करने से वास्तविक उपयोग में डीग्रेडेशन दर दोगुनी हो जाती है

आईफोन को लगातार 35 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर चलाना उनकी बैटरियों के लिए वास्तव में बुरी खबर साबित होता है। यू.एस. डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी के शोध से पता चलता है कि जब फोन अत्यधिक गर्म हो जाते हैं, तो एक ऐसी परत—जिसे 'एसईआई लेयर' कहा जाता है—तेज़ी से बढ़ने लगती है और लिथियम इलेक्ट्रोड्स पर जमा होने लगता है, जिससे बैटरी के शक्ति खोने से पहले उसे कितनी बार चार्ज किया जा सकता है, यह कम हो जाता है। समस्या और भी गंभीर हो जाती है क्योंकि आईफोन में अंतर्निर्मित शीतलन प्रणाली नहीं होती है। इस कारण, जीपीएस के माध्यम से नेविगेशन करना, मोबाइल पर गेम्स खेलना या गर्म स्थानों पर बैठे हुए वायरलेस रूप से चार्ज करना जैसी गतिविधियों के दौरान ये विशेष रूप से संवेदनशील हो जाते हैं। केवल एक धूप वाले दिन में पार्क की गई कार के अंदर आईफोन को छोड़ देना या उसे सूर्य के प्रत्यक्ष प्रकाश के संपर्क में आने वाले डैशबोर्ड पर रखना भी उसके आंतरिक तापमान को 50 डिग्री सेल्सियस से अधिक बढ़ा सकता है, जिससे बैटरी के घटकों को अपरिवर्तनीय क्षति पहुँच सकती है। उन लोगों के लिए, जो अपने फोन को लंबे समय तक चलने के लिए चाहते हैं, कुछ सरल कदम हैं जिन्हें याद रखना उचित है: सीधी धूप के नीचे चार्ज करने या भारी ऐप्स चलाने से जहाँ तक संभव हो, बचें; शहर में घूमते समय बैकग्राउंड ऐप रिफ्रेश सुविधा को बंद कर दें; और लंबे समय तक चार्ज करने से पहले सुरक्षात्मक कवर हटा देना न भूलें, क्योंकि ये अक्सर ऊष्मा को डिवाइस के अंदर फँसा देते हैं।

20%-80% नियम पर पुनर्विचार: डिस्चार्ज की गहराई के सबूत और व्यावहारिक चार्जिंग दिशा-निर्देश

आंशिक चार्जिंग लिथियम-आयन बैटरी के जीवनकाल को काफी लंबा करती है। जर्नल ऑफ द इलेक्ट्रोकेमिकल सोसाइटी में प्रकाशित अध्ययनों से पता चलता है कि डिस्चार्ज की गहराई को 0-100% के बजाय 20-80% तक सीमित करने से कैथोड लैटिस में तनाव कम होता है और लिथियम प्लेटिंग को रोका जाता है, जिससे कुल प्राप्त करने योग्य चक्रों की संख्या तीन गुना बढ़ जाती है। रोजमर्रा के आईफोन उपयोग के लिए:

• 100% तक पहुँचने से पहले अनप्लग करें—विशेष रूप से रात भर के लिए—क्योंकि पूर्ण चार्ज पर रखने से एनोड की संभावित ऊर्जा बढ़ती है और पार्श्व अभिक्रियाएँ तेज हो जाती हैं
• 20% के आसपास पूर्वानुमानित रूप से पुनः चार्ज करें, जो कैथोड संरचना पर दबाव डालने वाले गहरे डिस्चार्ज से बचता है
• सक्षम करें अनुकूलित बैटरी चार्जिंग , जो आपकी दिनचर्या सीखता है और अंतिम चार्जिंग को 100% तक आवश्यकता होने तक स्थगित कर देता है—उच्च वोल्टेज अवस्थाओं में बिताए गए समय को कम करता है, बिना व्यवहार में कोई परिवर्तन किए