Come la tecnologia delle batterie al litio influisce sulla durata e sulle prestazioni della batteria dell'iPhone

Batteria al litio per iPhone: chimica fondamentale, vincoli progettuali e degradazione nella pratica reale

Dal cobalto litio-ossido (LCO) alle miscele NMC: come l’evoluzione del catodo ha migliorato densità energetica e stabilità termica

I primi modelli di iPhone utilizzavano batterie al litio con catodi a ossido di litio-cobalto (LCO). Questi erano ottimi per concentrare molta potenza in spazi ridotti, ma presentavano gravi problemi di stabilità quando caricati oltre i 4,2 volt. La ricarica rapida poteva causare problemi pericolosi, come la corsa termica e la formazione di dendriti all’interno delle celle della batteria. Le cose sono cambiate notevolmente da allora. Gli attuali modelli di iPhone utilizzano invece miscele catodiche a nichel-manganese-cobalto (NMC). Questa nuova formulazione riduce l’impiego di cobalto di circa il 60% e incrementa il ruolo del nichel nella composizione. Secondo i test eseguiti secondo lo standard IEC 62133-2, questa modifica consente alle batterie di mantenere circa il 20% in più della loro capacità di carica dopo 500 cicli di ricarica. Il manganese contribuisce a mantenere stabile la struttura della batteria e a prevenire un’eccessiva liberazione di ossigeno in caso di aumento della temperatura. Il nichel permette livelli di tensione più elevati senza compromettere la sicurezza. Tutti questi miglioramenti collaborano per garantire una gestione termica più efficace all’interno dei corpi estremamente sottili di questi smartphone. Ciò è particolarmente importante perché Apple continua a ridurre gli spazi interni pur volendo mantenere inalterate le prestazioni dei propri dispositivi.

Fattore di forma ultra-sottile rispetto alla gestione termica: perché gli iPhone privilegiano le dimensioni rispetto al raffreddamento

Quando si tratta di design, Apple pone la sottigliezza al primo posto, piuttosto che concentrarsi su una gestione termica efficace. Basta osservare gli iPhone: dispongono di soli circa 1,5 mm di spazio dedicato ai materiali interfaccia termica, una quantità effettivamente inferiore di circa due terzi rispetto a quella offerta dalla maggior parte degli smartphone Android top di gamma. A causa di questa limitazione, le temperature interne di questi dispositivi possono aumentare di 8–12 gradi Celsius durante operazioni impegnative, come l’esportazione di video in 4K o l’esecuzione di applicazioni di realtà aumentata. Il telefono dispone comunque di diffusori termici in grafite e di una scocca in alluminio che contribuiscono a dissipare il calore in modo passivo, ma tali soluzioni non sono sufficienti quando il carico di lavoro si protrae per periodi prolungati. Ciò comporta anche un invecchiamento accelerato della batteria. Secondo alcune leggi fondamentali della fisica, se Apple volesse adottare soluzioni di raffreddamento più efficaci, come tubi termici in rame o camere a vapore, i suoi smartphone dovrebbero essere circa il 40% più spessi — una soluzione che contrasta chiaramente con i suoi celebri standard di design elegante e slanciato. Curiosamente, secondo una recente ricerca sui consumatori condotta da Statista nel 2023, circa il 78% delle persone preferisce ancora dispositivi sottili rispetto a quelli dotati di prestazioni termiche superiori, pur essendo consapevole del fatto che costruzioni più sottili tendono a ridurre più rapidamente la durata della batteria nel tempo.

Degrado della batteria nella pratica: comprensione dello stato di salute (SoH), della capacità utilizzabile e dei limiti di reporting di Apple

Fattori chimici dell'invecchiamento: crescita dello strato SEI, deposizione di litio e il loro impatto sulla durata della batteria dell'iPhone

All'interno delle batterie degli iPhone avvengono fondamentalmente due fenomeni irreversibili nel tempo: la formazione dello strato di interfase solido-elettrolita (SEI) e il cosiddetto "plating" di litio metallico. Quando iniziamo a utilizzare per la prima volta i nostri smartphone, lo strato SEI comincia a formarsi naturalmente già nei primi cicli di ricarica. Tuttavia, proseguendo con i cicli di carica e scarica, questo strato continua ad ispessirsi, riducendo progressivamente la quantità di ioni di litio attivi e costringendo la batteria a lavorare con maggiore sforzo a causa dell’aumento della resistenza interna. Un altro problema si verifica in condizioni di ricarica particolari, come temperature fredde inferiori a 10 gradi Celsius, velocità di ricarica elevate rispetto ai livelli normali o quando la batteria è quasi completamente carica. In tali casi, si formano depositi di litio metallico reattivo sulla superficie dell’anodo, che non solo riducono la quantità di litio disponibile per i cicli successivi, ma possono anche generare microcortocircuiti all’interno della batteria. La maggior parte degli utenti nota una riduzione della capacità della batteria pari a circa il 3–5% ogni anno in condizioni normali. Tuttavia, se il dispositivo viene esposto costantemente a temperature elevate superiori a 35 gradi Celsius, secondo alcuni standard del settore, tale perdita può effettivamente raddoppiare. Ciò che rende particolarmente frustranti questi problemi è che, a differenza dell’usura fisica di altre componenti dei nostri dispositivi, questi cambiamenti chimici si accumulano progressivamente nel tempo e non sono reversibili, nemmeno per gli smartphone che vengono utilizzati raramente. Già dopo soli due anni di inattività su uno scaffale, molti iPhone mostrano segni evidenti di un declino della salute della batteria.

Perché la percentuale di 'Stato della batteria' non è una misura diretta della capacità utilizzabile – e cosa rappresenta effettivamente

La percentuale di salute della batteria visualizzata da Apple non misura effettivamente direttamente la capacità della batteria. Si basa invece su come la batteria risponde alle variazioni di tensione, analizza i modelli di resistenza interna nel tempo e tiene conto della sua storia termica, il tutto nel rispetto degli standard di sicurezza UL 2580. Quando viene visualizzato il valore del 100%, ciò significa che tutti i parametri funzionano entro i limiti normali per quanto riguarda la stabilità della tensione. Intorno all’85%, si osservano differenze percettibili nel modo in cui la batteria eroga energia, anche se questo non implica necessariamente che sia andato perso esattamente il 15% della capacità. Ciò che conta maggiormente per Apple è garantire l'affidabilità dei dispositivi, piuttosto che ottenere una precisione estrema nei valori numerici. È per questo motivo che consiglia di richiedere un intervento assistenziale quando la salute della batteria scende all’80%. Questo non avviene semplicemente perché il 20% della capacità è scomparso, ma perché fenomeni come la caduta di tensione durante la ricarica cominciano a compromettere il funzionamento sicuro del dispositivo. Pertanto, anche se due iPhone mostrano la stessa percentuale di salute della batteria, la loro autonomia effettiva può variare notevolmente in base al modo in cui vengono utilizzati, alle temperature a cui sono esposti quotidianamente e, talvolta, a semplici differenze nella calibrazione software tra i dispositivi.

Temperatura e abitudini di ricarica: fattori chiave sotto il controllo dell’utente per prolungare la durata della batteria al litio dell’iPhone

Effetto del calore: come un funzionamento prolungato a temperature superiori a 35 °C raddoppia il tasso di degradazione nell’uso reale

Utilizzare costantemente gli iPhone a temperature superiori ai 35 gradi Celsius si rivela davvero una cattiva notizia per le loro batterie. Una ricerca del Dipartimento dell’Energia statunitense dimostra che, quando i telefoni diventano troppo caldi, lo strato SEI cresce più rapidamente e il litio inizia a depositarsi sugli elettrodi, riducendo così il numero di cicli di ricarica possibili prima che il dispositivo cominci a perdere autonomia. Il problema peggiora perché gli iPhone non sono dotati di sistemi di raffreddamento integrati. Ciò li rende particolarmente sensibili durante attività come la navigazione GPS, il gioco su mobile o la ricarica wireless mentre si trovano in ambienti caldi. Semplicemente lasciare un iPhone all’interno di un’auto parcheggiata sotto il sole o appoggiarlo sul cruscotto esposto alla luce solare può far salire la temperatura interna oltre i 50 gradi Celsius, causando danni irreversibili ai componenti della batteria. Per chi desidera prolungare la durata del proprio telefono, esistono diversi semplici accorgimenti da tenere a mente: evitare, per quanto possibile, di ricaricare il dispositivo o di eseguire applicazioni impegnative alla luce diretta del sole; disattivare la funzione di aggiornamento in background delle app durante gli spostamenti in città; ricordarsi infine di rimuovere le custodie protettive prima di effettuare ricariche prolungate, poiché queste tendono a intrappolare il calore all’interno del dispositivo.

La regola del 20%-80% rivisitata: prove sull’intervallo di scarica e indicazioni pratiche per la ricarica

La ricarica parziale estende significativamente la durata delle batterie agli ioni di litio. Studi pubblicati su Journal of The Electrochemical Society dimostrano che limitare l’intervallo di scarica al 20-80% invece che allo 0-100% può triplicare il numero totale di cicli raggiungibili, riducendo lo sforzo reticolare del catodo e inibendo la deposizione di litio. Per un utilizzo quotidiano dell’iPhone:

• Staccare la ricarica prima di raggiungere il 100%, in particolare durante la notte, poiché mantenere la batteria al 100% aumenta il potenziale dell’anodo e accelera le reazioni collaterali
• Ricaricare proattivamente intorno al 20%, evitando scariche profonde che sollecitano la struttura del catodo
• Abilita Ricarica Ottimizzata della Batteria , che apprende le tue abitudini e posticipa la fase finale della ricarica fino al 100% al momento necessario, riducendo così il tempo trascorso a tensioni elevate senza richiedere modifiche comportamentali