Каждая зарядка — маленький износ: внутри аккумулятора запускается разрушительный механизм

Аккумулятор смартфона стареет не только из-за времени или частоты зарядок. За этим процессом скрывается физический механизм, который раньше оставался почти незаметным. Учёные смогли заглянуть внутрь батареи и увидеть, что именно происходит с ней при повседневном использовании. Оказалось, что причина износа куда ближе к живой природе, чем принято считать. Об этом сообщает Science.

Что происходит внутри аккумулятора при зарядке

Литий-ионные аккумуляторы работают за счёт постоянного перемещения ионов между электродами. Когда телефон подключён к зарядке, ионы внедряются в материал электрода, а при разрядке возвращаются обратно. Эти процессы сопровождаются микроскопическими изменениями объёма — аккумулятор едва заметно расширяется и затем сжимается.

Исследователи сравнивают это с дыханием: батарея словно делает "вдох" и "выдох" при каждом цикле. Само по себе такое движение неопасно, но за годы эксплуатации оно повторяется тысячи раз. Постепенно внутренние элементы аккумулятора начинают испытывать всё большую нагрузку, что напрямую влияет на срок службы устройства.

Эффект дыхания и накопление повреждений

Команда учёных из Техасского университета в Остине, Северо-Восточного университета, Стэнфорда и Аргоннской национальной лаборатории показала, что постоянное расширение и сжатие приводит к химико-механической деградации. Даже минимальные деформации оставляют необратимые изменения в структуре материалов.

"Каждое "вдохновение" оставляет после себя небольшое необратимое изменение. По отдельности они почти незаметны, но со временем накапливаются и снижают производительность аккумулятора", — объясняет ведущий исследователь Ицзинь Лю.

Со временем батарея начинает быстрее терять заряд, хуже справляться с нагрузками и в итоге перестаёт работать так, как в первые месяцы использования.

Каскады деформации и роль микроструктуры

Одним из ключевых открытий стал эффект "каскадов деформации". Электроды состоят из сотен тысяч микроскопических частиц, и каждая из них реагирует на заряд по-своему. Одни частицы смещаются активно, другие почти не двигаются.

Такая неравномерность создаёт локальные зоны напряжения. Постепенно они распространяются на соседние участки, вызывая цепную реакцию повреждений. В итоге появляются микротрещины и деформации, которые ускоряют износ аккумулятора. Похожие проблемы учитываются и при разработке альтернативных решений, включая натрий-ионные батареи, которые рассматриваются как возможная замена литиевым технологиям.

Как удалось увидеть процесс изнутри

Чтобы наблюдать эти изменения напрямую, исследователи применили методы рентгеновской визуализации. Просвечивающая рентгеновская микроскопия и трёхмерная ламинаграфия позволили следить за движением частиц в реальном времени во время зарядки и разрядки.

Интересно, что впервые подобное поведение учёные заметили при изучении аккумуляторов в беспроводных наушниках. Позже стало ясно, что те же механизмы действуют и в более крупных системах — от ноутбуков до электромобилей, где дополнительно важны вопросы сырья и критических минералов для аккумуляторов.

Что это даёт для будущих технологий

Понимание того, где именно возникает напряжение и как оно распространяется внутри батареи, открывает путь к улучшению конструкции аккумуляторов. Среди возможных решений — изменение структуры электродов и создание контролируемого давления внутри элементов.

Следующим этапом работы станет разработка моделей, объединяющих химию и механику. Они помогут инженерам прогнозировать износ и создавать аккумуляторы, которые будут служить дольше, заряжаться быстрее и сохранять стабильность в течение многих лет эксплуатации.