ほぼすべてのスマートフォンやタブレットに搭載されているようなリチウムイオン電池は、小さくても壊れない均質な発電炉です。 AppleInsider では、バッテリーの構造と化学的性質について簡単に掘り下げ、古いバッテリーがデバイス メーカーだけでなくユーザー自身にもどのように悪影響を与えるかを論じています。
バッテリーは物理的および化学的なプロセスであり、永遠ではありません。
まず、科学 101 について説明します。
どのバッテリーも電気エネルギーを化学エネルギーの形で蓄え、そのエネルギーを電気に変換できます。バッテリーには、カソードとアノードの間の電荷の流れを可能にする電解質によって分離されたアノードとカソードが必要です。
バッテリーに負荷がかかると、アノードは酸化反応を通じてマイナス端子に電子を放出し、電解液中にイオンを放出します。カソードはこれらの電子を受け取り、電子の流れの回路を完成させます。
これで非充電式電池の話は終わりです。ただし、リチウムイオン電池は充電可能です。したがって、電流が適切に流されると、電子の流れが逆に起こり、バッテリーが再充電されます。
これは線形反応ではなく、「理想的なバッテリー」とも呼ばれます。モバイルデバイスのミリアンペア時で測定されるバッテリーの総容量と、充電/放電サイクルを含む全体的な寿命は、充電回路やソフトウェアなどのデバイスメーカーによるエンジニアリング上の選択に加え、反応物質の物理量によって制限されます。
物理的にバッテリーが大きいほど、容量が大きくなり、曲線が平坦になり、バッテリー充電量が低いときの電圧降下が顕著でなくなります。現在のバッテリー問題を考えると、これが、プラスサイズの iPhone が速度低下の影響をあまり受けない理由であり、iPad が速度低下の影響をまったく受けていないように見える理由は、物理的にバッテリーが大きいためです。
セルの充電と放電がより適切に制御されればされるほど、バッテリーの寿命は長くなります。バッテリーが高温の車内に放置されたり、氷点下の屋外に放置されたりするなど、温度変化に耐えるほどバッテリーの寿命は短くなります。
放電サイクルにわたる任意のバッテリーの出力電圧を充電パーセントでプロットできます。
ただし、反応物は永遠ではありません。リチウムイオン電池の場合、セル内に「金属ウィスカー」が形成され、電池セルの損傷部分がショートし、利用可能な電力が減少することがあります。最終的には、ウィスカーの形成と反応物の枯渇により、電圧不足と不可逆的な酸化によりバッテリーが完全に機能しなくなります。
出力電圧グラフの傾きが変化する
電圧の「曲線」と傾きは、さまざまな要因に基づいて大きく変化します。バッテリーが消耗すると、横軸が縮小します。明らかに、デバイスの電力需要により、特定の充電の曲線に沿って進むのにかかる時間が減少します。
環境によるセルの損傷、許容電圧を超える電圧を供給する充電装置の欠陥、またはその他の問題により、バッテリーの使用中に電圧降下の急峻さが恒久的に増加します。動作温度も一時的に急峻に増加し、高温よりも低温の方が容量に大きな影響を与えます。
「切れた」バッテリーは実際にはそうではありません
バッテリーが「切れている」からといって、電力がまったく蓄えられていないという意味ではありません。これは、バッテリーが消耗した携帯電話を起動しようとすると、Apple が「プラグイン」グラフィックをポップアップ表示することからもわかります。
リチウムイオン電池の場合、電池の容量が 2V 以上でなければ電極が酸化し始めます。これはかなり早く起こり、再充電によって元に戻すことはできません。リチウムイオン電池を一定期間放置しておくと、最終的には完全に消耗するか、容量がほとんどなくなってしまうのはこのためです。
おそらく、Samsung Note 8 がシャットダウンし、生き返らないバッテリーが消耗した後は、デバイスが充電回路を起動できる電力を下回っているためであり、バッテリーに永久的な損傷を与えるものではありません。
デバイスメーカーとその曲線
デバイスメーカーは、バッテリーの製造をあまり深く掘り下げることなく、性能曲線に基づいて選択を行う必要があります。安全率は言うまでもなく、バッテリー容量と出力電圧は考慮する必要がある2つの異なるものです。
すべてのデバイスには臨界電圧があり、この電圧に達すると動作を継続できなくなったり、データが失われたり、完全にクラッシュしたりする可能性があります。臨界電圧は普遍的なものであり、デバイスごとに異なり、Apple だけに適用されるものではありません。
非常に単純化すると、メーカーはバッテリーの性能曲線を見て、エンジニアリング上の選択を行うポイントを選択する必要があります。推測が外れた場合、デバイスのバッテリーが化学的に劣化すると、デバイスはシャットダウンします。はい、これは Android デバイスで発生します。2015 年 9 月の Nexus 6P は現在この問題の影響を受けているようです。シャットダウンを防ぐソフトウェア修正はまだ見当たりません。
リチウムイオン電池が過充電、過熱、損傷、または単なる経年劣化によって損傷した場合、内部セルは含まれている可燃性電解質混合物から「ガスを放出」する可能性があります。損傷していないバッテリー膜は、この物質をある程度含むために伸びて膨らみますが、ある時点で膜が爆発的に破裂します。実際に実証された2016年にGalaxy Note 7によって引き起こされた火災が原因です。
私たちがここにたどり着いた経緯
モバイル プロセッサは一定量の電力を消費しません。どれだけ激しく働かされるかに応じて、より多くのボルトを消費します。
ベンチマーク アプリケーションは、プロセッサを可能な限り長時間実行し、計算を完了するか、設定された期間内に一連の計算を実行するように設計されています。これにより、テストによってプロセッサーが停止するため、電圧に関連したダウンクロック ルーチンが必ず実行されます。これが、電圧が制約された状況でランダムにシャットダウンする問題を解決する Apple の特定の方法を発見した方法です。まずはレディットで、そして、によってGeekbench キュレーターのジョン・プール。
実際にどれくらいのユーザーが速度低下を経験したり、それに気付いたのかは不明ですが、iOS 10.2.1 以前のランダムなシャットダウンは確かに顕著でした。 Apple によれば、速度低下は永続的なものではなく、状況が必要な場合にのみ発動されるという。バッテリーの化学的劣化が少ないと、ダウンクロックの頻度が少なくなり、デバイスを激しく使用しないユーザーは、たとえ寿命に近いバッテリーであっても、ダウンクロックに気付かない可能性があります。
Apple の iPhone 6s のバッテリーを巡る状況は 2 つありますが、それらは無関係です。 1 つ目は、Apple が一部の iPhone 6s ユニットに取り付けられたバッテリーのバッチに対して実行したバッテリー交換プログラムです。その場合、バッテリーには既知の製造上の問題、Apple は、影響を受けるシリアル番号範囲の所有者に無償で交換しました。
2 つ目は、2017 年 2 月に実装されたシャットダウン修正です。iOS 10.2.1のリリース。これは、電話機の CPU を一時的にダウンクロックして、デバイスの電圧要求を、電話機が一見ランダムにシャットダウンする臨界電圧未満に保つことでした。 iOS 10.2.1は、iPhone 6sのリコール対象バッテリーと混同されることが多いが、実際には共通点は何もない。
この問題を解決するために、Apple はおそらく必要以上に透明性を欠き、ランダムなシャットダウンの問題を修正したと非常に短いリリースノートで述べました。同じ低電圧の問題が発生していると思われる前述の Nexus 6P には、おそらくランダム クラッシュを防ぐパッチが適用されないでしょう。
しかし、Apple がどれだけ儲かろうとも、物理法則や化学の現実から逃れることはできません。
Isamu 
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