لماذا يزداد عمر البطارية سوءًا بمرور الوقت؟

أنا متأكد من أنك لاحظت اختلافًا ملحوظًا في مدى احتفاظ بطارية الهاتف بالشحن بعد عام أو نحو ذلك. إذا احتفظت بهاتف طويل بما فيه الكفاية ، فقد لا تحتوي بطاريته على شحن كافٍ للبقاء على قيد الحياة ليوم كامل. هل تساءلت يوما لماذا؟

البطاريات: كيف تعمل؟

الكهرباء ليست سحرية. في الواقع ، إنه موضوع ممل للغاية بالنسبة لمعظمنا ونريده فقط عندما نحتاج إلى استخدامه. ولكن لفهم سبب احتياج هاتفك إلى الشحن الآن أكثر مما كان عليه عندما حصلت عليه لأول مرة ، فأنت بحاجة إلى معرفة القليل عن كيفية عمل البطارية. لا تقلق ، سنلتزم بالأساسيات هنا.

الكهرباء ، مثل أي نوع من الطاقة ، ليست شيئًا يمكنك صنعه. كل الأشياء التي نفكر فيها على أنها "صناعة" للكهرباء هي في الحقيقة تقوم فقط بتحويل شكل واحد من أشكال الطاقة إلى شكل آخر ، وتستخدم البطارية تفاعلًا كيميائيًا (طاقة) لبناء شحنة كهربائية يمكن قياسها وقت. يمكن استخدام مواد مختلفة لبناء هذه الشحنة وستؤدي إلى نتائج مختلفة. في هواتفنا ، نستخدم بطاريات الليثيوم لأنها توفر مستوى لائقًا من الإنتاج بتكلفة معقولة.

العمر المقدر لبطارية الهاتف هو مجرد تقدير.

داخل بطارية الهاتف ، ستجد ثلاثة مكونات مهمة لما نتحدث عنه: قطب سالب (يسمى

الأنود وعادة ما تكون مصنوعة من الجرافيت) ، قطب موجب (يسمى أ الكاثود ومصنوع من مزيج من الليثيوم ومعادن أخرى) ، ومحلول إلكتروليت. الكيمياء بين هذه الأشياء الثلاثة بسيطة في قاعدتها ولهذا يمكن استخدامها لتخزين الطاقة. عند تطبيق رسوم ل الأقطاب الكهربائية (من الشاحن الخاص بك) أيونات الليثيوم موجبة الشحنة وتنجذب إلى القطب السالب. عندما تقوم بسحب شحنة بعيدًا عن البطارية ، تفقد أيونات الليثيوم هذه شحنتها الإيجابية ولا تنجذب بعد الآن إلى القطب السالب. كلما قمت بسحب الطاقة المخزنة بعيدًا عن بطارية مشحونة ، زاد عدد أيونات الليثيوم غير الموجودة أطول مشحونة حتى لا يتبقى منها ما يكفي لإنتاج أي خرج والبطارية ميت. توصيله بالشاحن يعيد ضبط هذه الدورة.

"دورة" كلمة مهمة هنا. نظرًا لأن البطاريات مصممة لتخزين شحنة ، فمن الصعب قياس عمرها القابل للاستخدام كوحدة زمنية. قد تدوم البطارية التي تدوم عامين بالنسبة لك ستة أشهر فقط لشخص آخر لأنه يتم استخدامها بشكل مختلف. حتى نتمكن من الحصول على تقدير للمدة التي نتوقعها أن تدوم ، يتم قياس طول عمر البطارية من خلال دورات الشحن. عادةً ما يتم تصميم بطارية الهاتف لتدوم حوالي 500 إلى 600 دورة ، وتُعرَّف الدورة بأنها شحن بطارية ميتة تمامًا بنسبة 100٪ ثم استنزافها إلى الصفر مرة أخرى. يعد شحن بطارية مشحونة بنسبة 50٪ ، ثم استنزافها مرة أخرى إلى 50٪ دورة جزئية ، ولهذا ستسمع أشخاصًا يقولون لك لشحن بطاريتك قبل أن تنخفض وتسمع أيضًا أشخاصًا يقولون لك عكس ذلك كطرق للتلاعب بالنظام وتجنب تلك الخمسمائة دورة. بالطبع ، لا يعمل بهذه الطريقة لأن البطارية لا تحسب فعليًا عدد دورات الشحن. خمسمائة مجرد تقدير.

لكن طول العمر يستطيع تقاس بالدورات بسبب ما يحدث عند شحن بطارية وكيف تؤثر على الشحن في المستقبل الدورات ، وكمية الطاقة التي يمكن تخزينها وإمكانات (فكر في عدد الفولتات) المخزنة تكلفة.

الأكسدة والكفاءة يكرهان بعضهما البعض

نظرًا لأن السيارات الكهربائية هي شيء حقيقي والبطاريات التي تستخدمها باهظة الثمن إلى حد الجنون ، فقد تم إجراء الكثير من الدراسات حول سبب تدهور بطاريات الليثيوم أيون خلال حياتها. لحسن الحظ ، ينطبق هذا أيضًا على البطاريات الأقل تكلفة (ولكنها لا تزال باهظة الثمن!) داخل هواتفنا ، وذلك بسبب التغيرات الكيميائية التي تحدث أثناء شحن البطاريات.

نحن نعلم أن شحن البطارية يشحن إيجابياً أيونات الليثيوم التي تنجذب بعد ذلك مغناطيسيًا (الكهرباء هي المغناطيسية) إلى القطب السالب. مع جذب المزيد والمزيد من الأيونات المشحونة ، فإن فرق الجهد بين القطب السالب والقطب الموجب يزيد. هذه هي الطريقة التي تقيس بها الجهد - فرق الطاقة الكامنة بين قطبين. بمجرد وصولها إلى قراءة معينة ، تعتبر البطارية مشحونة بالكامل. والعكس صحيح أثناء تفريغ البطارية ويقل فرق الجهد حتى يصل إلى الصفر لأنه لا توجد أيونات موجبة الشحنة موجودة في القطب السالب. لكن هذا لا يعني أن القطب السالب نظيف تمامًا كما كان قبل أن تبدأ.

تتأكسد الأقطاب الكهربائية. بنفس الطريقة التي يمكن أن يتسبب بها الماء والهواء في صدأ الحديد (حيث تأتي كلمة الأكسدة) ، فإن أملاح الليثيوم والجرافيت والإلكتروليت سوف تتسبب في أكسدة القطب. عندما يتم تجريد كل أيون موجب الشحنة بعيدًا عن الأنود في البطارية ، تُترك طبقة مجهرية من الجسيمات وراءها ويتم ربطها كيميائيًا بأنود الجرافيت. تتكون هذه الجسيمات من ذرات أكسيد الليثيوم (الليثيوم المرتبط بالأكسجين) وكربونات الليثيوم (الليثيوم المرتبط بالكربون) ذرات ، لا تحتوي أي منهما على نفس الخصائص الكيميائية أو الكهربائية مثل الجرافيت. تتداخل هذه الطبقة مع دورة الشحن / التفريغ ويتغير كل من فرق الجهد (الجهد) وعدد الأيونات المشحونة التي يمكن جذبها. في النهاية ، التغييرات كافية لملاحظة ذلك. إذا واصلت استخدام البطارية وشحنها كما تفعل عادةً ، فإنك تصل إلى النقطة التي لا توجد فيها طاقة كهربائية مخزنة لتشغيل هاتفك.

يؤدي شحن البطارية بشكل أساسي إلى تغيير تكوين الأقطاب الكهربائية ويؤثر على طريقة شحنها في المستقبل.

تؤثر الأنواع المختلفة من تركيبات الليثيوم ، بالإضافة إلى الأملاح المختلفة المستخدمة في محلول الإلكتروليت ، على مقدار هذه الرواسب المتبقية على القطب. لكن المواد التي تصنع دورة أنظف ليست بالضرورة هي الأفضل لأنها لا تستطيع توفير نفس القدر من الطاقة المخزنة. نريد بطاريات عالية السعة ومنخفضة الطاقة في هواتفنا لأنها أكثر أمانًا من البطاريات عالية الطاقة (وتكلفة أقل) ونريدها أن تزود الهاتف بالطاقة لأطول فترة ممكنة. يمكن أن تستخدم السيارة الكهربائية بطاريات عالية السعة وطاقة عالية لأنها محمية بإطار صلب وليس من المحتمل أن تتعرض للتلف. إنها ضرورية لأن السيارة يجب أن تكون قادرة على قطع مسافات طويلة بين الشحنات. لكن تكلفة البطارية البديلة لطراز Tesla Model S تبلغ أيضًا 12000 دولار. يأتي جزء من هذه التكلفة من المواد باهظة الثمن المستخدمة في بناء بطارية ليثيوم - نيكل - كوبالت - أكسيد الألومنيوم على عكس بطاريات الليثيوم-الكوبالت الأساسية المستخدمة في الهاتف والتي لا تدوم تقريبًا عدة دورات قبلها تحط من قدر.

الجهد مهم

أحد أكبر العوامل التي يمكن أن تؤثر على عدد الدورات التي ستستمر فيها بطارية ليثيوم أيون هو جهدها. الهواتف والسيارات ليست الأشياء الوحيدة المصممة للعمل على بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن ، وفي عام 2015 أنفقت وزارة الطاقة الأمريكية الكثير من المال والوقت على انظر بالضبط ما يسبب المشاكل وكيفية التخفيف منها لأن الأقمار الصناعية تستخدم بطاريات الليثيوم وأجهزة الشحن الشمسية. وجدت الدراسات أنه بعد تكوين البطارية نفسها ، فإن السبب الأكبر التالي الذي يمكن أن يؤثر على طول عمر البطارية هو جهد الشحن والجهد الكهربي للشحنة المحتجزة.

تعمل الكيمياء التي تجعل بطارية الليثيوم تعمل بشكل طبيعي على تحطيم الأنود ، وهذا ما تحدثنا عنه أعلاه. ولكن إذا قمت بشحن بطارية بأكثر من 3.9 فولت ، أو قمت بتخزين شحنة بفارق جهد أعلى من 3.9 فولت ، فإن نفس النوع من التدهور يحدث للكاثود (القطب الموجب). هذا يقلل بشكل أساسي من عمر البطارية إلى النصف. إن جهد الشحن والجهد المحتجز هما في الأساس نفس الشيء لأنك تثير كل شيء من مكونات البطارية ، ولكن الشحن أيضًا يدخل الحرارة ، وكلما زاد جهد الشحن زادت سخونة سيكون ذلك. تؤدي الحرارة المطبقة عند إثارة بطارية أعلى من 3.9 فولت إلى تفاقم تدهور الكاثود.

لا توجد عصابة سرية من صانعي البطاريات الذين يحاولون الفرار منا ؛ كل شيء كيمياء.

وبعبارة أخرى ، فإن الفولتية اللازمة لتشغيل هاتف حديث وشحن بطاريته بسرعة تعني أنه يكاد يكون من المستحيل "إصلاح" الأشياء. رأى أي شخص لديه مثقاب يعمل بالبطارية هذا أثناء العمل. لا تدوم البطاريات التي تبلغ قوتها 12 أو 14 فولتًا المستخدمة في أداة ما تقريبًا عدد الدورات مثل البطاريات الموجودة في هواتفنا. يخزنون ويعملون بجهد أعلى ، ويشحنون بجهد أعلى وأكثر سخونة ، ويمكن أن يتأثروا بشكل ملحوظ بعد بضع دورات شحن. يستخدمون نفس البطاريات الأساسية القائمة على الليثيوم مثل الهاتف لأننا نستخدم أنواع المواد التي نستخدمها في بطارية Tesla S ستجعلهم أغلى ثمناً ، وليس لديهم وقت طويل حياة. الحمد لله يمكننا إعادة تدوير معظم المواد الموجودة فيها ونحن لا نغرق في بحر من بطاريات Makita و Porter-Cable المهملة حيث أن الليثيوم أغلى من الذهب.

الخبر السار هو أن جميع الشركات التي تصنع بطاريات الليثيوم تعمل على تحسين الأمور. من يستطيع أن يبتكر أول بطارية تدوم لفترة أطول سيكسب الكثير من المال منها. كل ما يمكننا فعله هو شحن هواتفنا عندما تكون بحاجة إلى الشحن ، ومعرفة أنه لا توجد بعض المؤامرات بين مصنعي البطاريات لحملنا على شراء منتجات جديدة في كثير من الأحيان.

تتمتع هواتف Android هذه بأفضل عمر للبطارية