Почему на холоде телефон быстро разряжается — и почему заряд «возвращается» в тепле
Если коротко: на морозе телефон садится не потому, что холод «съедает» заряд. Энергия остаётся в аккумуляторе, но литий-ионный элемент на холоде хуже её отдаёт: ионы лития медленнее движутся и с трудом входят в графит, внутреннее сопротивление растёт. В момент пиковой нагрузки напряжение проваливается ниже порога, и контроллер аварийно выключает телефон — с «40%» на экране или с внезапным «0%». Принесли в тепло — сопротивление упало, напряжение поднялось, и проценты «вернулись». А вот заряжать замёрзший аккумулятор действительно вредно, и это уже навсегда.
На связи «Интерьер и ремонт». Обычно мы разбираем, как устроены дом и техника в нём, а телефон — самый носимый прибор в доме, и зимой он ведёт себя страннее всех. Разберём один механизм, из которого вытекает всё остальное: и выключение на морозе, и «воскрешение» в кармане, и почему не стоит сразу ставить его на зарядку, едва зайдя с улицы.
Заряд никуда не делся: где на самом деле прячутся проценты
Начнём с простого опыта, который многие ставили невольно. Вы полчаса фотографируете на прогулке при −15, телефон показывает 35%, потом 20%, потом гаснет. Дома, через час на столе, вы его включаете — и видите 30%. Зарядки не было. Откуда взялись проценты?
Ответ: они никуда не уходили. Аккумулятор — это химический склад энергии, и количество запасённого лития в «заряженном» положении на холоде не уменьшается. Меняется скорость, с которой склад умеет отгружать товар. Представьте магазин с огромным запасом и одним кассиром, у которого замёрзли руки: товар на полках есть, но очередь не движется. Телефону же нужна не «энергия вообще», а ток прямо сейчас — когда включается камера, вспыхивает подсветка, модем ищет вышку.
Производители говорят об этом прямо. Apple на странице о температуре устройств пишет, что iPhone рассчитан на работу при температуре окружающей среды от 0 до 35 °C, а использование в сильный холод за пределами этого диапазона может временно сократить время работы и привести к выключению устройства; когда аппарат вернётся в тепло, время работы восстановится. Ключевое слово здесь — «временно». Samsung называет для Galaxy тот же оптимальный диапазон 0–35 °C и предупреждает, что за его пределами возможны неожиданные выключения.
Что происходит внутри: ионы застревают на входе в графит
Литий-ионный аккумулятор работает так: при разряде ионы лития выходят из графитового анода, проплывают через жидкий электролит и встраиваются в катод, а электроны в это время идут через внешнюю цепь — то есть через ваш телефон. При зарядке всё наоборот: ионы возвращаются и протискиваются между слоями графита.
На каждом участке этого пути есть «трение», и холод усиливает его везде сразу. Электролит густеет, и ионы в нём движутся медленнее. Плёнка на поверхности графита пропускает их хуже. Но главное узкое место — сам переход иона через границу электрод/электролит, так называемый перенос заряда: это химическая реакция, а скорость химических реакций резко падает при охлаждении.
Это не догадка, а измеренный факт. В классической работе исследовательской лаборатории армии США Чжан, Сюй и Джоу разложили сопротивление литий-ионного элемента на составляющие — сопротивление электролита, поверхностной плёнки и переноса заряда — и показали, что при охлаждении сильнее всего растёт именно сопротивление переноса заряда, а ниже −10 °C оно становится главным. То есть на морозе ионам не столько тяжело плыть, сколько тяжело «зайти в дверь».
Сумма всех этих сопротивлений и есть то самое внутреннее сопротивление аккумулятора. Пока оно маленькое, его не видно. Когда большое — начинается главное.
Почему телефон гаснет на «40%» и откуда прыгающие проценты
Внутреннее сопротивление работает как узкая труба. Чем больше ток вы через неё тянете, тем сильнее падает «давление» на выходе — здесь это напряжение. Это закон Ома в чистом виде: падение напряжения внутри аккумулятора равно току, умноженному на сопротивление. В тепле сопротивление маленькое, и даже пиковый ток срезает напряжение чуть-чуть. На морозе сопротивление в разы выше, и тот же пиковый ток проваливает напряжение глубоко.
А у электроники телефона есть нижний порог напряжения, ниже которого она не может работать надёжно. Если напряжение туда проваливается, система управления питанием не ждёт сбоев и выключает аппарат. Apple в документе об аккумуляторах и производительности iPhone описывает именно это: сопротивление аккумулятора временно растёт при низком уровне заряда и низкой температуре, и неожиданное выключение происходит чаще при низком заряде, большом химическом возрасте или в холоде — система гасит телефон, чтобы защитить электронные компоненты.
Отсюда и странное поведение индикатора. Процент заряда телефон оценивает в том числе по напряжению. Холодный аккумулятор под нагрузкой показывает «усталое» напряжение, и индикатор то резко ползёт вниз, то подскакивает, когда нагрузка снимается. А если телефон выключился аварийно, он может запомнить последнюю картинку как «0%». Склад при этом полон: в тепле напряжение поднимается, и система честно видит, что заряд есть.
Холод не отнимает энергию у аккумулятора — он отнимает у него мощность. Энергия возвращается, как только возвращается тепло.
Старый аккумулятор мёрзнет сильнее
Если у вас в семье два телефона и один выключается на морозе через десять минут, а другой держится — почти наверняка у первого аккумулятор старше. Механизм тот же самый, только стартовая точка хуже.
С возрастом на графите нарастает плёнка, часть лития выбывает из оборота, электроды деградируют — и внутреннее сопротивление растёт даже при комнатной температуре. Холод умножает и без того высокое сопротивление. Новый аккумулятор на морозе теряет запас по напряжению, но обычно не доходит до порога; изношенный стартует близко к порогу и проваливается за него от первой же вспышки камеры. Именно поэтому Apple в списке причин неожиданного выключения ставит рядом холод, низкий заряд и химический возраст — это три способа поднять одно и то же сопротивление.
Как отличить износ от лишнего расхода и где смотреть состояние аккумулятора, мы подробно разбирали отдельно — здесь важно другое: если телефон начал гаснуть на холоде, хотя прошлой зимой держался, это хороший повод заглянуть в «Состояние аккумулятора».
Кстати, автомобильный свинцовый аккумулятор зимой «умирает» по очень похожей логике — холод его не ломает, а разоблачает: у него падают возможности, а стартёру при этом нужно больше тока.
Почему на морозе нельзя заряжать: литий оседает металлом
С разрядом холод обходится мягко — всё обратимо. С зарядкой иначе. При зарядке ионы лития должны войти в графит. Если вход затруднён — а на холоде он затруднён сильнее всего, — а зарядное устройство продолжает толкать ток, ионам «некуда деться». Часть из них получает электрон прямо на поверхности графита и превращается в металлический литий. Это называется литиевым осаждением (lithium plating).
Осевший литий плох трижды. Он уже не участвует в работе — ёмкость уменьшается навсегда. Он реагирует с электролитом, наращивая плёнку и сопротивление. А в худшем случае растёт иглами-дендритами, которые со временем могут проколоть сепаратор между электродами. Именно поэтому деградация от зарядки на холоде — не временная, в отличие от выключения.
Насколько это серьёзно, показывает посмертный разбор аккумуляторов из немецкого Центра солнечной энергии и водородных исследований (ZSW): элементы гоняли циклами при температурах от −20 до 70 °C, а потом вскрывали. Оказалось, что ниже 25 °C главный механизм старения — именно литиевое осаждение, и чем холоднее, тем быстрее идёт износ. Выше 25 °C картина другая: там аккумулятор губит уже нагрев.
Поэтому производители ставят защиту. Apple предупреждает, что слишком холодный iPhone может не заряжаться или прекратить зарядку. Samsung пишет, что при выходе температуры за определённые пределы зарядка будет ограничена ради защиты аккумулятора. Если вы заметили, что на морозе телефон «заряжается» подозрительно медленно или вообще не берёт ток — это не поломка, это контроллер, который знает про литиевое осаждение.
Миф: «холод полезен батарее, храните её в холодильнике»
У этого мифа есть верная половина, и поэтому он живучий. Химическое старение аккумулятора — это тоже реакции, и они в прохладе идут медленнее. Если аккумулятор просто лежит без дела, прохлада действительно продлевает ему жизнь, особенно при неполном заряде.
Порядок величин хорошо видно по таблице из справочника Battery University о том, как продлить жизнь литиевым аккумуляторам: за год хранения при 0 °C и заряде около 40% элемент сохраняет примерно 98% восстанавливаемой ёмкости, при 25 °C и 100% заряда — около 80%, а при 40 °C и полном заряде — около 65%. Главные враги при хранении — тепло и полный заряд одновременно.
А теперь неверная половина. Во-первых, это про хранение, а не про работу и зарядку: пользоваться на морозе — временная потеря мощности, заряжать на морозе — необратимое осаждение лития. Во-вторых, холодильник — это прохладно, но влажно, и каждый раз, когда вы достаёте оттуда холодный телефон, на нём оседает конденсат. В-третьих, телефон, которым пользуются каждый день, вообще не «хранится». Разумная версия совета звучит так: запасной телефон или повербанк, который лежит месяцами, держите в прохладном сухом шкафу заряженным примерно наполовину. Без морозилки и без холодильника.
Конденсат: почему не стоит сразу заряжать с мороза
Последняя ловушка срабатывает дома. Воздух в квартире всегда несёт водяной пар, и у каждого состояния воздуха есть точка росы — температура, ниже которой пар начинает оседать водой. Для комнаты с температурой 22 °C и влажностью 40% она около 8 °C, при влажности 50% — около 11 °C (это обычный расчёт по формуле Магнуса). Телефон, который час пролежал в кармане куртки на морозе, внутри намного холоднее. Заносите его в тепло — и тёплый влажный воздух касается холодных поверхностей: стекла, корпуса, разъёма, а через щели — и деталей внутри. Та же физика, что у запотевших очков и окон.
Влага, разъём и ток — плохое сочетание: вода в порту зарядки при подключённом кабеле ускоряет коррозию контактов. Многие телефоны в таких случаях сами показывают предупреждение о влаге в разъёме. Даже если до этого не дошло, сам аккумулятор в этот момент ещё холодный, а значит, зарядка попадает ровно в ту зону, где идёт литиевое осаждение.
Выход простой: дать телефону полежать при комнатной температуре, пока он не станет на ощупь тёплым и сухим, и только потом ставить на зарядку. Обычно это от получаса до часа. Не грейте его феном или на батарее отопления — резкий нагрев ничего не ускоряет, а лишний перегрев аккумулятору вреден.
Что делать зимой: практика из механизма
Если понять, что на морозе мешает высокое сопротивление, а при зарядке — осаждение лития, правила складываются сами.
Держите телефон в тепле тела. Внутренний карман или карман брюк — это несколько десятков градусов разницы с наружным карманом куртки. Аккумулятор остывает медленно, и полчаса в тёплом кармане дают ему запас.
Не давайте пиков нагрузки на холоде. Камера со вспышкой, видео, навигация с яркой подсветкой — ровно те моменты, когда напряжение проваливается. Сделали снимок — уберите телефон в карман, а не держите в руке на ветру.
Выходите с запасом заряда. Сопротивление растёт и от холода, и от низкого заряда — на морозе эти эффекты складываются. Телефон с 80% переживёт прогулку там, где телефон с 25% выключится.
Чехол помогает, но не греет. Своего тепла у выключенного телефона почти нет, и чехол лишь замедляет остывание. В долгой прогулке он даст время, но не заменит карман.
Выключился — не паникуйте. Положите телефон в тёплый карман или занесите в помещение и подождите, прежде чем включать. Заряд, скорее всего, на месте.
Повербанк держите в тепле, телефон заряжайте в тепле. Зарядка на морозе прямо на улице — худший вариант для аккумулятора. А с улицы домой — сначала согреться и обсохнуть, потом к розетке.
Если телефон стал гаснуть на холоде заметно чаще прошлогоднего — проверьте состояние аккумулятора. Возможно, дело не в погоде, а в возрасте элемента.
Коротко
- На морозе телефон не теряет заряд, а теряет способность быстро его отдать: ионы лития хуже проходят через электролит и особенно через границу с графитом.
- Растёт внутреннее сопротивление, под пиковой нагрузкой напряжение падает ниже порога, и телефон аварийно выключается на «40%» или показывает «0%».
- В тепле сопротивление падает, напряжение возвращается — отсюда «воскресший» заряд. Это обратимо.
- Изношенный аккумулятор страдает сильнее: у него сопротивление высокое и без мороза.
- Заряжать холодный аккумулятор вредно: литий оседает металлом на аноде, и эта потеря ёмкости необратима. Поэтому телефоны ограничивают зарядку на холоде.
- Хранить запасной гаджет в прохладе при половинном заряде полезно; пользоваться и заряжать на морозе — нет. Холодильник — плохая идея из-за конденсата.
- С мороза домой: подождать, пока телефон согреется и обсохнет, и только потом заряжать.
Пока нет комментариев