เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมมีผลกระทบต่ออายุการใช้งานและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ iPhone อย่างไร

แบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับ iPhone: เคมีพื้นฐาน การจำกัดด้านการออกแบบ และการเสื่อมสภาพในโลกแห่งความเป็นจริง

จาก LCO ไปสู่ส่วนผสม NMC: การวิวัฒนาการของแคโทดช่วยเพิ่มความหนาแน่นพลังงานและเสถียรภาพทางความร้อนอย่างไร

รุ่นแรกๆ ของ iPhone ใช้ แบตเตอรี่ลิธีอุตสาหกรรม ด้วยแคโทดที่ทำจากลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) ซึ่งมีข้อดีมากในการบรรจุพลังงานจำนวนมากไว้ในพื้นที่ขนาดเล็ก แต่ก็มีปัญหาความเสถียรที่รุนแรงเมื่อชาร์จเกิน 4.2 โวลต์ การชาร์จเร็วอาจนำไปสู่ปัญหาอันตราย เช่น การลุกลามของความร้อน (thermal runaway) และการเติบโตของเดนไดรต์ (dendrite) ภายในเซลล์แบตเตอรี่ สถานการณ์ได้เปลี่ยนแปลงไปอย่างมากนับตั้งแต่นั้นมา โมเดล iPhone รุ่นปัจจุบันใช้ส่วนผสมของแคโทดแบบนิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ (NMC) แทน สูตรใหม่นี้ลดการใช้โคบอลต์ลงประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ และเพิ่มบทบาทของนิกเกิลในองค์ประกอบให้มากขึ้น ตามผลการทดสอบที่ดำเนินการตามมาตรฐาน IEC 62133-2 การเปลี่ยนแปลงนี้หมายความว่า แบตเตอรี่สามารถรักษาความจุในการเก็บประจุได้ดีขึ้นประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ หลังผ่านกระบวนการชาร์จ-ปล่อยประจุครบ 500 รอบ แมงกานีสช่วยรักษาโครงสร้างของแบตเตอรี่ให้มีความเสถียร และป้องกันไม่ให้มีการปลดปล่อยออกซิเจนออกมาอย่างมากเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนนิกเกิลช่วยให้สามารถทำงานที่ระดับแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นได้โดยไม่ก่อให้เกิดความไม่ปลอดภัย ปรับปรุงทั้งหมดเหล่านี้ร่วมกันส่งผลให้ระบบจัดการความร้อนภายในตัวเครื่องโทรศัพท์ที่บางเฉียบอย่างน่าทึ่งมีประสิทธิภาพดีขึ้นอย่างมาก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะแอปเปิลยังคงลดพื้นที่ภายในตัวเครื่องให้เล็กลงเรื่อยๆ แต่ยังต้องการประสิทธิภาพการทำงานที่เท่าเดิมจากอุปกรณ์ทั้งหมด

รูปแบบที่บางเป็นพิเศษเทียบกับการจัดการความร้อน: เหตุใด iPhone จึงให้ความสำคัญกับขนาดมากกว่าระบบระบายความร้อน

เมื่อพูดถึงการออกแบบ แอปเปิลให้ความสำคัญกับความบางเป็นอันดับแรก มากกว่าการมุ่งเน้นที่ระบบจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ลองพิจารณาไอโฟนดูสิ — ตัวเครื่องมีพื้นที่จัดสรรสำหรับวัสดุเชื่อมต่อความร้อน (thermal interface materials) เพียงประมาณ 1.5 มิลลิเมตร ซึ่งน้อยกว่าที่สมาร์ทโฟนแอนดรอยด์ระดับเรือธงส่วนใหญ่จัดให้ราวสองในสาม เนื่องจากข้อจำกัดนี้ อุณหภูมิภายในอุปกรณ์อาจเพิ่มสูงขึ้นได้ระหว่าง 8 ถึง 12 องศาเซลเซียส เมื่อทำภาระงานหนัก เช่น การส่งออกวิดีโอความละเอียด 4K หรือการใช้งานแอปพลิเคชันความจริงเสริม (augmented reality) แม้โทรศัพท์จะมีแผ่นกระจายความร้อนจากกราไฟต์ (graphite heat spreaders) และตัวเรือนอะลูมิเนียมที่ช่วยในการถ่ายเทความร้อนแบบพาสซีฟ แต่สิ่งเหล่านี้ก็ไม่เพียงพอเมื่ออุปกรณ์ต้องทำงานหนักต่อเนื่องเป็นเวลานาน ส่งผลให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติด้วย ตามกฎพื้นฐานบางประการของฟิสิกส์ หากแอปเปิลต้องการใช้โซลูชันการระบายความร้อนที่ดีกว่า เช่น ท่อถ่ายเทความร้อนทองแดง (copper heat pipes) หรือห้องระเหยความร้อน (vapor chambers) โทรศัพท์ของพวกเขาจะต้องหนาขึ้นประมาณ 40% ซึ่งขัดแย้งโดยตรงกับมาตรฐานการออกแบบที่เน้นความบางและทันสมัยอันเป็นเอกลักษณ์ของแบรนด์อย่างชัดเจน ที่น่าสนใจคือ ตามผลการวิจัยผู้บริโภคล่าสุดจากสตาติสตา (Statista) ในปี 2023 พบว่าประมาณ 78% ของผู้คนยังคงชอบอุปกรณ์ที่มีความบางมากกว่าอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพการจัดการความร้อนเหนือกว่า แม้จะรับรู้ดีว่าอุปกรณ์ที่บางกว่านั้นมักทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วกว่าเมื่อใช้งานไปนานๆ

การเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ในทางปฏิบัติ: การเข้าใจค่า SoH, ความจุที่ใช้งานได้จริง และขีดจำกัดการรายงานของแอปเปิล

ปัจจัยทางเคมีที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมอายุ: การเติบโตของชั้น SEI, การเกิดลิเทียมเพลตติ้ง และผลกระทบต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ของ iPhone

โดยพื้นฐานแล้ว มีสองสิ่งที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ของ iPhone ซึ่งไม่สามารถย้อนกลับได้เมื่อเวลาผ่านไป ได้แก่ การเกิดชั้นขอบเขตระหว่างของแข็งกับอิเล็กโทรไลต์ (Solid-Electrolyte Interphase: SEI) และปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การสะสมของลิเธียมโลหะ (Metallic Lithium Plating) เมื่อเราเริ่มใช้สมาร์ทโฟนเป็นครั้งแรก ชั้น SEI จะเริ่มก่อตัวขึ้นตามธรรมชาติในช่วงรอบการชาร์จแรกๆ แต่เมื่อเราชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ต่อเนื่อง ชั้นนี้จะหนาขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งส่งผลให้ไอออนลิเธียมที่ใช้งานได้ลดลง และทำให้แบตเตอรี่ต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อเอาชนะความต้านทานภายในที่เพิ่มสูงขึ้น อีกปัญหาหนึ่งเกิดขึ้นภายใต้สภาวะการชาร์จ เช่น สภาพอากาศเย็นจัดต่ำกว่า 10 องศาเซลเซียส การชาร์จด้วยความเร็วสูงกว่าระดับปกติ หรือเมื่อแบตเตอรี่ใกล้เต็มแล้ว ซึ่งจะก่อให้เกิดการสะสมของลิเธียมโลหะที่มีปฏิกิริยาแรงบนพื้นผิวแอนโอด ทั้งนี้ไม่เพียงลดปริมาณลิเธียมที่พร้อมใช้งานสำหรับรอบการชาร์จ-คายประจุในอนาคต แต่ยังก่อให้เกิดวงจรลัด (short circuits) ขนาดเล็กภายในแบตเตอรี่อีกด้วย ผู้ใช้ส่วนใหญ่มักสังเกตเห็นว่าความจุแบตเตอรี่ลดลงประมาณร้อยละ 3 ถึง 5 ต่อปีภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ อย่างไรก็ตาม หากปล่อยให้ iPhone อยู่ในสภาพแวดล้อมที่ร้อนจัดอย่างต่อเนื่องเกิน 35 องศาเซลเซียส ตามมาตรฐานบางฉบับในอุตสาหกรรม การสูญเสียความจุนี้อาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ปัญหาเหล่านี้น่าหงุดหงิดเป็นพิเศษ เนื่องจากต่างจากความสึกหรอทางกายภาพที่เกิดกับส่วนประกอบอื่นๆ ของอุปกรณ์ ปฏิกิริยาเคมีเหล่านี้จะสะสมต่อเนื่องไปเรื่อยๆ ตามกาลเวลา และไม่สามารถย้อนกลับได้ แม้แต่กับสมาร์ทโฟนที่แทบไม่ได้ใช้งานเลยก็ตาม หลังจากวางทิ้งไว้บนชั้นวางเป็นเวลาเพียงสองปี โทรศัพท์ iPhone หลายเครื่องก็ยังแสดงสัญญาณที่ชัดเจนของการเสื่อมสภาพของสุขภาพแบตเตอรี่

เหตุใดเปอร์เซ็นต์ 'สุขภาพของแบตเตอรี่' จึงไม่ใช่การวัดความจุที่ใช้งานได้โดยตรง — และสิ่งที่ค่าดังกล่าวแท้จริงแล้วสะท้อน

เปอร์เซ็นต์สุขภาพของแบตเตอรี่ที่แอปเปิลแสดงไม่ได้วัดความจุของแบตเตอรี่โดยตรง แต่กลับคำนวณจากปฏิกิริยาของแบตเตอรี่ต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า วิเคราะห์รูปแบบความต้านทานภายในเมื่อเวลาผ่านไป และพิจารณาประวัติอุณหภูมิที่แบตเตอรี่เคยสัมผัสมา ทั้งหมดนี้อยู่ภายใต้มาตรฐานความปลอดภัย UL 2580 เมื่อเราเห็นค่า 100% หมายความว่าทุกอย่างทำงานอยู่ภายในพารามิเตอร์ปกติในแง่ของเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า ที่ระดับประมาณ 85% จะเริ่มสังเกตเห็นความแตกต่างที่ชัดเจนในการปล่อยพลังงานของแบตเตอรี่ แม้กระนั้น นี่ไม่ได้หมายความว่าความจุหายไปอย่างแม่นยำถึง 15% แต่อย่างใด สิ่งที่แอปเปิลให้ความสำคัญมากที่สุดคือการรักษาความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ มากกว่าความแม่นยำสูงสุดของตัวเลข ด้วยเหตุนี้ แอปเปิลจึงแนะนำให้นำอุปกรณ์เข้ารับบริการเมื่อสุขภาพแบตเตอรี่ลดลงถึง 80% ซึ่งไม่ใช่เพียงเพราะความจุหายไป 20% แต่เนื่องจากปรากฏการณ์ต่าง ๆ เช่น การลดลงของแรงดันไฟฟ้าขณะชาร์จ เริ่มส่งผลต่อการใช้งานอย่างปลอดภัย ดังนั้น แม้ iPhone สองเครื่องจะแสดงเปอร์เซ็นต์สุขภาพแบตเตอรี่เท่ากัน แต่ระยะเวลาระหว่างการชาร์จจริงอาจแตกต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับวิธีการใช้งานของผู้ใช้ อุณหภูมิที่อุปกรณ์สัมผัสในแต่ละวัน และบางครั้งก็ขึ้นอยู่กับความแตกต่างเล็กน้อยในการปรับค่าซอฟต์แวร์ระหว่างอุปกรณ์แต่ละเครื่อง

อุณหภูมิและนิสัยการชาร์จ: ปัจจัยสำคัญที่ผู้ใช้สามารถควบคุมเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมใน iPhone

ความร้อนเร่งการเสื่อมสภาพ: การใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 35°C อย่างต่อเนื่องทำให้อัตราการเสื่อมสภาพเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในสถานการณ์จริง

การใช้งาน iPhone อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงกว่า 35 องศาเซลเซียส ส่งผลเสียอย่างรุนแรงต่อแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ งานวิจัยจากกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (US Department of Energy) ระบุว่า เมื่อสมาร์ทโฟนร้อนจัดเกินไป ชั้น SEI (Solid Electrolyte Interphase) จะหนาตัวเร็วขึ้น และลิเธียมเริ่มเคลือบสะสมบนขั้วไฟฟ้า ซึ่งส่งผลให้จำนวนรอบการชาร์จก่อนที่แบตเตอรี่จะเริ่มเสื่อมประสิทธิภาพลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ปัญหาดังกล่าวรุนแรงยิ่งขึ้นเนื่องจาก iPhone ไม่มีระบบระบายความร้อนในตัว ทำให้อุปกรณ์ไวต่อความร้อนเป็นพิเศษขณะใช้งานที่ต้องใช้ทรัพยากรสูง เช่น การนำทางด้วย GPS การเล่นเกมบนมือถือ หรือการชาร์จแบบไร้สายขณะวางไว้ในสถานที่ที่มีอุณหภูมิสูง แม้แต่การทิ้ง iPhone ไว้ในรถยนต์ที่จอดอยู่กลางแดด หรือวางไว้บนแผงหน้าปัดรถที่ได้รับแสงแดดโดยตรง ก็อาจทำให้อุณหภูมิภายในอุปกรณ์สูงเกิน 50 องศาเซลเซียส ส่งผลให้ส่วนประกอบแบตเตอรี่เสียหายอย่างถาวร สำหรับผู้ที่ต้องการยืดอายุการใช้งานสมาร์ทโฟนให้นานขึ้น มีวิธีง่ายๆ ที่ควรจดจำหลายประการ ได้แก่ หลีกเลี่ยงการชาร์จหรือใช้งานแอปพลิเคชันที่ใช้ทรัพยากรสูงภายใต้แสงแดดโดยตรงเท่าที่จะเป็นไปได้ ปิดคุณสมบัติการอัปเดตแอปพื้นหลัง (Background App Refresh) ขณะเดินทางในเมือง และอย่าลืมถอดเคสป้องกันออกก่อนชาร์จเป็นเวลานาน เนื่องจากเคสเหล่านี้มักกักเก็บความร้อนไว้ภายในตัวเครื่อง

การทบทวนกฎ 20%-80%: หลักฐานเชิงลึกเกี่ยวกับความลึกของการคายประจุ และคำแนะนำเชิงปฏิบัติสำหรับการชาร์จ

การชาร์จแบบบางส่วนช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนได้อย่างมีนัยสำคัญ งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน วารสารของสมาคมเคมีไฟฟ้า (Journal of The Electrochemical Society) แสดงให้เห็นว่า การจำกัดความลึกของการคายประจุไว้ที่ระดับ 20–80% แทนที่จะเป็น 0–100% สามารถเพิ่มจำนวนรอบการชาร์จ-คายประจุรวมทั้งหมดได้ถึงสามเท่า โดยลดแรงเครียดในโครงสร้างตาข่ายของคาโทด และยับยั้งการสะสมของลิเธียมบนผิวอิเล็กโทรด สำหรับการใช้งาน iPhone ประจำวัน:

• ถอดปลั๊กออกก่อนที่ระดับแบตเตอรี่จะถึง 100% — โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อชาร์จข้ามคืน — เนื่องจากการคงสถานะประจุเต็มเป็นเวลานานจะเพิ่มศักย์ไฟฟ้าที่แอนโอด และเร่งปฏิกิริยาข้างเคียง
• ชาร์จใหม่ล่วงหน้าเมื่อระดับแบตเตอรี่ลดลงเหลือประมาณ 20% โดยหลีกเลี่ยงการคายประจุลึกซึ่งก่อให้เกิดความเครียดต่อโครงสร้างคาโทด
• เปิดใช้งาน การชาร์จแบตเตอรี่แบบปรับให้เหมาะสม , ซึ่งเรียนรู้กิจวัตรประจำวันของคุณและเลื่อนการชาร์จขั้นสุดท้ายให้ถึง 100% ไปจนกว่าจะจำเป็น — ลดระยะเวลาที่แบตเตอรี่อยู่ในสถานะแรงดันสูง โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนพฤติกรรมการใช้งาน