Πίνακας περιεχομένων:
Είμαι βέβαιος ότι έχετε παρατηρήσει ότι βλέπετε μια αξιοσημείωτη διαφορά στο πόσο καλά μια μπαταρία τηλεφώνου κατέχει ένα τέλος μετά από ένα χρόνο περίπου. Αν κρατάτε ένα τηλέφωνο αρκετά καιρό, η μπαταρία του μπορεί να μην έχει ακόμη αρκετή φόρτιση για να επιβιώσει μια ολόκληρη μέρα. Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί;
Μπαταρίες: Πώς λειτουργούν;
Η ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι μαγευτική. Στην πραγματικότητα, είναι ένα αρκετά βαρετό θέμα για τους περισσότερους από εμάς και θέλουμε μόνο να είναι εκεί όταν πρέπει να το χρησιμοποιήσουμε. Αλλά για να καταλάβετε γιατί το τηλέφωνό σας χρειάζεται χρεώνεται περισσότερο τώρα από ό, τι έκανε όταν το πήρατε για πρώτη φορά, πρέπει να ξέρετε λίγο για το πώς λειτουργεί μια μπαταρία. Μην ανησυχείτε, εμείς θα μείνουμε με τα βασικά εδώ.
Η ηλεκτρική ενέργεια, όπως κάθε είδους ενέργεια, δεν είναι κάτι που μπορείτε να δημιουργήσετε. Όλα τα πράγματα που θεωρούμε ως "παραγωγή" ηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπουν πραγματικά μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη και μια μπαταρία χρησιμοποιεί μια χημική αντίδραση (ενέργεια) για να χτίσει ένα ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να μετρηθεί με την πάροδο του χρόνου. Διαφορετικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αυτής της φόρτισης και θα παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα. Στα τηλέφωνα μας, χρησιμοποιούμε μπαταρίες με βάση το λίθιο επειδή παρέχουν ένα αξιοπρεπές επίπεδο παραγωγής με λογικό κόστος.
Η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας τηλεφώνου είναι ακριβώς αυτή - μια εκτίμηση.
Μέσα σε μια μπαταρία τηλεφώνου, θα βρείτε τρία συστατικά που είναι σημαντικά για αυτό που μιλάμε: ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (που ονομάζεται άνοδος και συνήθως κατασκευασμένο από γραφίτη), ένα θετικό ηλεκτρόδιο (που ονομάζεται κάθοδος και είναι κατασκευασμένο από μίγμα λιθίου και άλλα μέταλλα) και ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη. Η χημεία μεταξύ αυτών των τριών πραγμάτων είναι απλή στη βάση της και είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση ενέργειας. Όταν εφαρμόζετε μια φόρτιση στα ηλεκτρόδια (από τον φορτιστή σας), τα ιόντα λιθίου είναι θετικά φορτισμένα και έλκονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Όταν τραβάτε μια φόρτιση μακριά από την μπαταρία αυτά τα ιόντα λιθίου χάνουν το θετικό τους φορτίο και δεν προσελκύονται πλέον από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Όσο περισσότερο τραβάτε την αποθηκευμένη ενέργεια μακριά από μια φορτισμένη μπαταρία, ο αριθμός των ιόντων λιθίου που δεν φορτίζονται πλέον αυξάνεται μέχρι να απομείνει μόνο για να παραχθεί κάποια έξοδος και η μπαταρία είναι νεκρή. Η σύνδεση του σε ένα φορτιστή επαναφέρει αυτόν τον κύκλο.
Ο "Κύκλος" είναι μια σημαντική λέξη εδώ. Επειδή οι μπαταρίες έχουν σχεδιαστεί για να αποθηκεύουν μια φόρτιση, είναι δύσκολο να μετρήσετε τη διάρκεια ζωής τους ως μονάδα χρόνου. Μια μπαταρία που διαρκεί δύο χρόνια για εσάς μπορεί να διαρκέσει μόνο έξι μήνες για κάποιον άλλο, επειδή χρησιμοποιείται διαφορετικά. Για να έχουμε μια εκτίμηση για το πόσο καιρό να περιμένουμε να διαρκέσουν, η μακροζωία της μπαταρίας μετριέται με κύκλους φόρτισης. Μια μπαταρία τηλεφώνου είναι συνήθως σχεδιασμένη να διαρκεί περίπου 500 έως 600 κύκλους, και ένας κύκλος ορίζεται ως φορτίζοντας μια εντελώς νεκρή μπαταρία στο 100%, στη συνέχεια αποστραγγίζοντας το μηδέν και πάλι. Η φόρτιση μιας μπαταρίας που έχει 50% φόρτιση και η αποστράγγισή της στο 50% είναι ένας μερικός κύκλος και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο θα ακούσετε τους ανθρώπους να σας λένε να φορτίσετε την μπαταρία σας πριν φτάσει σε χαμηλά επίπεδα και επίσης να ακούσετε τους ανθρώπους να σας λένε το αντίθετο ως τρόπους παιχνιδιού του συστήματος και αποτροπής αυτού του 500ου κύκλου. Φυσικά, δεν λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο επειδή η μπαταρία δεν μετράει πραγματικά τον αριθμό των κύκλων φόρτισης. Τα πεντακόσια είναι μόνο μια εκτίμηση.
Αλλά η μακροζωία μπορεί να μετρηθεί σε κύκλους λόγω του τι συμβαίνει όταν φορτίζετε μια μπαταρία και πώς επηρεάζει τους μελλοντικούς κύκλους φόρτισης, την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί και το δυναμικό (πιστεύετε ότι ο αριθμός βολτ) του αποθηκευμένου φορτίου.
Η οξείδωση και η αποδοτικότητα μισούν το ένα το άλλο
Επειδή τα ηλεκτρικά οχήματα είναι ένα πραγματικό πράγμα και οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν είναι παράλογα δαπανηρές, έχουν γίνει αρκετές μελέτες για το γιατί οι μπαταρίες ιόντων λιθίου υποβαθμίζονται κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Ευτυχώς, αυτό ισχύει και για τις λιγότερο ακριβές (αλλά και ακριβά!) Μπαταρίες μέσα στα τηλέφωνα μας, και αυτό οφείλεται στις χημικές αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη φόρτιση των μπαταριών.
Γνωρίζουμε ότι η φόρτιση μιας μπαταρίας φορτίζει θετικά τα ιόντα λιθίου που είναι τότε μαγνητικά (ηλεκτρισμός είναι μαγνητισμός) που προσελκύονται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Καθώς προσελκύονται όλο και περισσότερα φορτισμένα ιόντα, η διαφορά δυναμικού μεταξύ του αρνητικού ηλεκτροδίου και του θετικού ηλεκτροδίου αυξάνεται. Έτσι μετράτε την τάση - τη διαφορά δυνητικής ενέργειας μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Μόλις φτάσει σε μια συγκεκριμένη ανάγνωση, η μπαταρία θεωρείται πλήρως φορτισμένη. Το αντίθετο ισχύει κατά την αποφόρτιση μιας μπαταρίας και η διαφορά δυναμικού μειώνεται έως ότου φθάσει στο μηδέν επειδή δεν υπάρχουν πλέον θετικά φορτισμένα ιόντα στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι καθαρό και ακριβώς το ίδιο όπως ήταν πριν ξεκινήσετε.
Τα ηλεκτρόδια οξειδώνονται. Ο ίδιος τρόπος με τον οποίο το νερό και ο αέρας μπορούν να προκαλέσουν σκουριά στο σίδερο (από όπου προέρχεται η λέξη οξείδωση), τα άλατα λιθίου, γραφίτη και ηλεκτρολύτη θα προκαλέσουν οξείδωση ενός ηλεκτροδίου. Όταν κάθε θετικά φορτισμένο ιόν απογυμνώνεται από την άνοδο σε μια μπαταρία, ένα μικροσκοπικό στρώμα σωματιδίων αφήνεται πίσω και έχει χημικά συνδεθεί με την άνοδο γραφίτη. Αυτά τα σωματίδια είναι κατασκευασμένα από άτομα οξείδιο του λιθίου (λιθίου συνδεδεμένα με οξυγόνο) και ανθρακικό λίθιο (άνθρακας δεσμευμένο με λίθιο), κανένα από τα οποία δεν έχει τις ίδιες χημικές ή ηλεκτρικές ιδιότητες με τον γραφίτη. Αυτή η στρώση παρεμποδίζει τον κύκλο φόρτισης / εκφόρτισης και τόσο τη διαφορά δυναμικού (τάσης) όσο και τον αριθμό των φορτισμένων ιόντων που μπορούν να προσελκύσουν αλλαγές. Τελικά, οι αλλαγές είναι αρκετές για να παρατηρήσετε. Εάν συνεχίσετε να χρησιμοποιείτε την μπαταρία και φορτίζετε την μπαταρία όπως συνήθως, φτάνετε στο σημείο όπου δεν υπάρχει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται για να τροφοδοτεί το τηλέφωνό σας.
Η φόρτιση μιας μπαταρίας αλλάζει ουσιαστικά τη σύνθεση των ηλεκτροδίων και επηρεάζει τον τρόπο που θα φορτίζει στο μέλλον.
Διαφορετικοί τύποι συνθέσεων λιθίου, καθώς και διαφορετικά άλατα που χρησιμοποιούνται στο διάλυμα ηλεκτρολύτη, επηρεάζουν το πόσο από αυτές τις εναποθέσεις παραμένουν στο ηλεκτρόδιο. Αλλά τα υλικά που κάνουν για έναν καθαρότερο κύκλο δεν είναι αναγκαστικά τα καλύτερα επειδή δεν μπορούν να παρέχουν τόσο πολύ αποθηκευμένη ισχύ. Θέλουμε μπαταρίες υψηλής ισχύος και χαμηλής κατανάλωσης στα τηλέφωνα μας, επειδή είναι ασφαλέστερες από τις μπαταρίες υψηλής ισχύος (και κόστος λιγότερο) και θέλουμε να παρέχουν ενέργεια στο τηλέφωνό μας για όσο διάστημα μπορούν. Ένα ηλεκτρικό όχημα μπορεί να χρησιμοποιεί υψηλής απόδοσης μπαταρίες υψηλής ισχύος επειδή προστατεύεται από ένα συμπαγές πλαίσιο και δεν είναι τόσο πιθανό να υποστεί βλάβη. Είναι απαραίτητα επειδή ένα αυτοκίνητο πρέπει να είναι σε θέση να διανύσει μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των χρεώσεων. Αλλά το κόστος μιας μπαταρίας αντικατάστασης για ένα Tesla Model S είναι $ 12, 000. Μέρος αυτού του κόστους προέρχεται από τα ακριβά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μπαταρίας λιθίου-νικελίου-κοβαλτίου-αλουμινίου-οξειδίου σε αντίθεση με τις βασικές μπαταρίες λιθίου-κοβαλτίου που χρησιμοποιούνται σε ένα τηλέφωνο που δεν διαρκεί σχεδόν όπως πολλοί κύκλοι πριν υποβαθμιστούν.
Η τάση έχει σημασία
Ένας από τους μεγαλύτερους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν τον αριθμό των κύκλων που θα διαρκέσει μια μπαταρία ιόντων λιθίου είναι η τάση. Τα τηλέφωνα και τα αυτοκίνητα δεν είναι τα μόνα που σχεδιάζονται να λειτουργούν με επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου και το 2015 το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ξόδεψε πολλά χρήματα και χρόνο για να δει ακριβώς τι προκαλεί προβλήματα και πώς να τα μετριάσει επειδή οι δορυφόροι χρησιμοποιούν μπαταρίες με βάση το λίθιο και ηλιακούς φορτιστές. Μελέτες διαπίστωσαν ότι μετά τη σύνθεση της ίδιας της μπαταρίας, ο επόμενος μεγαλύτερος ένοχος που μπορεί να επηρεάσει τη μακροζωία της μπαταρίας είναι η τάση φόρτισης και η τάση της διατηρούμενης φόρτισης.
Η χημεία που κάνει μια μπαταρία λιθίου λειτουργεί φυσικά υποβαθμίζει την άνοδο, και για αυτό μιλήσαμε παραπάνω. Αλλά αν φορτίσετε μια μπαταρία με περισσότερα από 3, 9 βολτ ή αποθηκεύσετε ένα φορτίο με διαφορά δυναμικού μεγαλύτερο από 3, 9 βολτ, το ίδιο είδος υποβάθμισης συμβαίνει στην κάθοδο (θετικό ηλεκτρόδιο). Αυτό ουσιαστικά μειώνει τη μακροζωία μιας μπαταρίας στο μισό. Η τάση φόρτισης και η παραμένουσα τάση είναι ουσιαστικά το ίδιο, διότι είστε συναρπαστικά όλα τα εξαρτήματα μιας μπαταρίας, αλλά η φόρτιση εισάγει επίσης θερμότητα και όσο υψηλότερη είναι η τάση φόρτισης, τόσο πιο θερμό θα είναι. Η θερμότητα που εφαρμόζεται όταν μια μπαταρία διεγείρεται υψηλότερη από 3, 9 volts περαιτέρω επιδεινώνει την υποβάθμιση της καθόδου.
Δεν υπάρχει κανένας μυστικός καβγάς των κατασκευαστών μπαταριών που προσπαθούν να μας στεγνώσουν. όλα είναι χημεία.
Με άλλα λόγια, οι τάσεις που είναι απαραίτητες για την τροφοδοσία ενός σύγχρονου τηλεφώνου και την γρήγορη φόρτιση της μπαταρίας του σημαίνουν ότι είναι σχεδόν αδύνατο να «διορθώσουμε» τα πράγματα. Όποιος έχει τρυπάνι με μπαταρία έχει δει αυτό σε δράση. Οι μπαταρίες 12 ή 14 βολτ που χρησιμοποιούνται σε ένα εργαλείο δεν διαρκούν σχεδόν σε πολλούς κύκλους με εκείνους των τηλεφώνων μας. Αποθηκεύουν και λειτουργούν σε υψηλότερη τάση, φορτίζουν σε υψηλότερη τάση και πολύ θερμότερο και μπορούν να επηρεαστούν αισθητά μετά από λίγους μόνο κύκλους φόρτισης. Χρησιμοποιούν τις ίδιες βασικές μπαταρίες με βάση το λίθιο ως τηλέφωνο, επειδή χρησιμοποιώντας τα είδη των υλικών που βλέπουμε σε μια μπαταρία Tesla S, τα καθιστούν ακριβότερα και δεν έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής. Ευτυχώς, μπορούμε να ανακυκλώσουμε το μεγαλύτερο μέρος των υλικών και να μην πνιγούμε σε μια θάλασσα από απορριπτόμενες μπαταρίες Makita και Porter-Cable με λιθίαση που είναι ακριβότερο από το χρυσό.
Τα καλά νέα είναι ότι όλες οι εταιρείες που κάνουν μπαταρίες λιθίου εργάζονται για να κάνουν τα πράγματα καλύτερα. Όποιος μπορεί να βρει την πρώτη μπαταρία που διαρκεί πολύ περισσότερο θα κάνει πολλά χρήματα από αυτό. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να χρεώσουμε τα τηλέφωνά μας όταν χρειάζεται να χρεωθούν και γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχει συνωμοσία μεταξύ των κατασκευαστών μπαταριών για να κάνουμε πιο συχνά τα νέα προϊόντα.
Αυτά τα τηλέφωνα Android έχουν την καλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας
