Ich bin sicher, Sie haben bemerkt, dass Sie nach etwa einem Jahr einen spürbaren Unterschied darin feststellen, wie gut der Akku Ihres Telefons die Ladung hält. Wenn Sie ein Telefon lange genug aufbewahren, ist der Akku möglicherweise nicht einmal ausreichend aufgeladen, um einen ganzen Tag zu überstehen. Haben Sie sich jemals gefragt, warum?
Batterien: Wie funktionieren sie?
Elektrizität ist nicht magisch. Tatsächlich ist es für die meisten von uns ein ziemlich langweiliges Thema und wir möchten, dass es nur da ist, wenn wir es brauchen. Aber um zu verstehen, warum Ihr Telefon jetzt mehr aufgeladen werden muss als zu Beginn, müssen Sie ein wenig über die Funktionsweise eines Akkus wissen. Keine Sorge, wir bleiben hier bei den Grundlagen.
Strom ist, wie jede Art von Energie, nicht etwas, das man erzeugen kann. Bei all den Dingen, die wir unter „Stromerzeugung“ verstehen, geht es in Wirklichkeit nur um die Umwandlung einer Energieform in eine andere. und eine Batterie nutzt eine chemische Reaktion (Energie), um eine elektrische Ladung aufzubauen, die dosiert abgegeben werden kann Zeit. Für den Aufbau dieser Ladung können unterschiedliche Materialien verwendet werden, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. In unseren Telefonen verwenden wir Lithium-Akkus, da diese eine gute Leistung zu einem angemessenen Preis bieten.
Die geschätzte Lebensdauer eines Telefonakkus ist genau das – eine Schätzung.
Im Inneren eines Telefonakkus finden Sie drei Komponenten, die für das, worüber wir hier sprechen, wichtig sind: eine negative Elektrode (genannt …). Anode und typischerweise aus Graphit hergestellt), eine positive Elektrode (genannt a Kathode und aus einer Mischung von Lithium und anderen Metallen hergestellt) und einer Elektrolytlösung. Die Chemie zwischen diesen drei Dingen ist im Grunde einfach und deshalb können sie zur Energiespeicherung genutzt werden. Wenn Sie eine Gebühr erheben Zu Die Lithiumionen der Elektroden (von Ihrem Ladegerät) sind positiv geladen und werden von der negativen Elektrode angezogen. Wenn Sie der Batterie eine Ladung entziehen, verlieren diese Lithiumionen ihre positive Ladung und werden nicht mehr von der negativen Elektrode angezogen. Je länger Sie einem geladenen Akku die gespeicherte Energie entziehen, desto mehr Lithium-Ionen fehlen Die Ladezeit erhöht sich, bis nicht mehr genug davon übrig sind, um irgendeine Leistung zu erbringen, und die Batterie leer ist tot. Durch Anschließen an ein Ladegerät wird dieser Zyklus zurückgesetzt.
„Zyklus“ ist hier ein wichtiges Wort. Da Batterien dazu konzipiert sind, eine Ladung zu speichern, ist es schwierig, ihre Nutzungsdauer als Zeiteinheit zu messen. Eine Batterie, die bei Ihnen zwei Jahre hält, hält bei jemand anderem möglicherweise nur sechs Monate, weil sie anders verwendet wird. Damit wir abschätzen können, wie lange sie voraussichtlich halten, wird die Batterielebensdauer anhand der Ladezyklen gemessen. Ein Telefonakku ist in der Regel für eine Lebensdauer von etwa 500 bis 600 Zyklen ausgelegt. Unter einem Zyklus versteht man das Aufladen eines völlig leeren Akkus auf 100 % und das anschließende Entladen auf Null. Das Aufladen eines Akkus, der noch zu 50 % geladen ist, und das anschließende Entladen wieder auf 50 % ist ein Teilzyklus, weshalb Sie das auch hören werden Sie müssen Ihren Akku aufladen, bevor er fast leer ist, und auch Leute hören, die Ihnen das Gegenteil sagen, um das System auszutricksen und den 500. zu verhindern Zyklus. So funktioniert das natürlich nicht, da der Akku die Anzahl der Ladezyklen eigentlich nicht zählt. Fünfhundert ist nur eine Schätzung.
Aber Langlebigkeit dürfen Aufgrund dessen, was passiert, wenn Sie einen Akku aufladen, und wie sich dies auf zukünftige Ladevorgänge auswirkt, muss der Ladevorgang in Zyklen gemessen werden Zyklen, die Menge an Energie, die gespeichert werden kann, und das Potenzial (denken Sie an die Anzahl der Volt) der gespeicherten Energie Aufladung.
Oxidation und Effizienz hassen einander
Da Elektrofahrzeuge eine reale Sache sind und die Batterien, die sie verwenden, wahnsinnig teuer sind, wurden zahlreiche Studien darüber durchgeführt, warum Lithium-Ionen-Batterien im Laufe ihrer Lebensdauer an Leistung verlieren. Glücklicherweise gilt dies auch für die günstigeren (aber immer noch teuren!) Akkus in unseren Telefonen, und zwar aufgrund chemischer Veränderungen, die beim Laden der Akkus auftreten.
Wir wissen, dass beim Laden einer Batterie Lithiumionen positiv geladen werden, die dann magnetisch (Elektrizität ist Magnetismus) von der negativen Elektrode angezogen werden. Je mehr geladene Ionen angezogen werden, desto mehr Differenz des Potenzials zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode nimmt zu. So misst man die Spannung – die Differenz der potentiellen Energie zwischen zwei Elektroden. Sobald ein bestimmter Wert erreicht ist, gilt der Akku als vollständig geladen. Beim Entladen einer Batterie verhält es sich umgekehrt und die Potentialdifferenz verringert sich bis auf Null, da an der negativen Elektrode keine positiv geladenen Ionen mehr vorhanden sind. Das bedeutet jedoch nicht, dass die negative Elektrode sauber und genau so ist, wie sie vor dem Start war.
Elektroden oxidieren. So wie Wasser und Luft dazu führen können, dass Eisen rostet (daher kommt das Wort Oxidation), führen Lithium, Graphit und Elektrolytsalze dazu, dass eine Elektrode oxidiert. Wenn in einer Batterie jedes positiv geladene Ion von der Anode entfernt wird, bleibt eine mikroskopisch kleine Partikelschicht zurück, die chemisch an die Graphitanode gebunden wurde. Diese Partikel bestehen aus Lithiumoxidatomen (mit Sauerstoff verbundenes Lithium) und Lithiumcarbonat (mit Kohlenstoff gebundenes Lithium) Atome, von denen keines die gleichen chemischen oder elektrischen Eigenschaften hat wie Graphit. Diese Schicht stört den Lade-/Entladezyklus und sowohl die Potentialdifferenz (Spannung) als auch die Anzahl der geladenen Ionen, die angezogen werden können, ändern sich. Letztendlich sind die Veränderungen genug, um es zu bemerken. Wenn Sie den Akku weiterhin wie gewohnt verwenden und aufladen, erreichen Sie den Punkt, an dem nicht mehr genügend elektrische Energie gespeichert ist, um Ihr Telefon mit Strom zu versorgen.
Das Laden einer Batterie verändert im Wesentlichen die Zusammensetzung der Elektroden und beeinflusst die Art und Weise, wie sie in Zukunft geladen wird.
Unterschiedliche Arten von Lithiumzusammensetzungen sowie unterschiedliche in der Elektrolytlösung verwendete Salze haben einen Einfluss darauf, wie viel dieser Ablagerungen auf der Elektrode zurückbleiben. Doch die Materialien, die für einen saubereren Kreislauf sorgen, sind nicht unbedingt die besten, weil sie nicht so viel Energie speichern können. Wir wollen in unseren Telefonen Akkus mit hoher Kapazität und geringem Stromverbrauch, weil diese sicherer sind als Akkus mit hoher Leistung (und weniger kosten) und wir möchten, dass sie unser Telefon so lange wie möglich mit Strom versorgen. Ein Elektrofahrzeug kann Hochleistungsbatterien mit hoher Kapazität verwenden, da diese durch einen soliden Rahmen geschützt sind und weniger anfällig für Beschädigungen sind. Sie sind notwendig, weil ein Auto lange Strecken zwischen den Ladevorgängen zurücklegen muss. Aber auch die Kosten für eine Ersatzbatterie für ein Tesla Model S betragen 12.000 US-Dollar. Ein Teil dieser Kosten entsteht durch die teuren Materialien, die zum Bau einer Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Batterie verwendet werden im Gegensatz zu den einfachen Lithium-Kobalt-Batterien, die in einem Telefon verwendet werden und nicht annähernd so viele Zyklen durchhalten degradieren.
Spannung ist wichtig
Einer der größten Faktoren, der die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie beeinflussen kann, ist ihre Spannung. Nicht nur Telefone und Autos sind für den Betrieb mit wiederaufladbaren Lithiumbatterien konzipiert, und das US-Energieministerium hat 2015 viel Geld und Zeit dafür aufgewendet genau sehen, was Probleme verursacht und wie man sie abmildern kann, da Satelliten Lithiumbatterien und Solarladegeräte verwenden. Studien haben ergeben, dass nach der Zusammensetzung der Batterie selbst die Ladespannung und die Spannung der gehaltenen Ladung der zweitgrößte Faktor sind, der die Lebensdauer der Batterie beeinflussen kann.
Die Chemie, die eine Lithiumbatterie zum Funktionieren bringt, führt auf natürliche Weise zu einem Abbau der Anode, und darüber haben wir oben gesprochen. Wenn Sie jedoch eine Batterie mit mehr als 3,9 Volt laden oder eine Ladung mit einer Potentialdifferenz von mehr als 3,9 Volt speichern, kommt es zu derselben Art von Verschlechterung an der Kathode (positive Elektrode). Dadurch wird die Lebensdauer einer Batterie im Wesentlichen halbiert. Ladespannung und Haltespannung sind im Wesentlichen dasselbe, weil Sie alle aufregend sind Komponenten einer Batterie, aber beim Laden entsteht auch Wärme, und je höher die Ladespannung, desto heißer es wird sein. Wenn eine Batterie mit einer Spannung von mehr als 3,9 Volt angeregt wird, verschlimmert die Wärmeeinwirkung die Verschlechterung der Kathode zusätzlich.
Es gibt keine geheime Verschwörung von Batterieherstellern, die versuchen, uns auszutricksen. Es ist alles Chemie.
Mit anderen Worten: Die Spannungen, die erforderlich sind, um ein modernes Telefon mit Strom zu versorgen und den Akku schnell aufzuladen, machen es fast unmöglich, Dinge zu „reparieren“. Jeder, der eine Akku-Bohrmaschine besitzt, hat dies in Aktion gesehen. Die in einem Werkzeug verwendeten 12- oder 14-Volt-Batterien halten nicht annähernd so viele Zyklen durch wie die in unseren Telefonen. Sie speichern und arbeiten mit einer höheren Spannung, laden mit einer höheren Spannung und deutlich heißer und können bereits nach wenigen Ladezyklen merklich beeinträchtigt werden. Sie verwenden die gleichen grundlegenden Lithiumbatterien wie ein Telefon, da sie die Art von Materialien verwenden, die wir verwenden Eine Tesla-S-Batterie würde sie teurer machen, und sie haben einfach keine sehr lange Lebensdauer Lebensdauer. Gott sei Dank können wir die meisten Materialien darin recyceln und ertrinken nicht in einem Meer ausrangierter Akkus von Makita und Porter-Cable, wobei Lithium teurer als Gold ist.
Die gute Nachricht ist, dass alle Unternehmen, die Lithiumbatterien herstellen, daran arbeiten, die Dinge zu verbessern. Wer den ersten Akku entwickelt, der deutlich länger hält, wird damit viel Geld verdienen. Alles, was wir tun können, ist, unsere Telefone dann aufzuladen, wenn sie aufgeladen werden müssen, und zu wissen, dass es keine Verschwörung zwischen Batterieherstellern gibt, die uns dazu bringen soll, häufiger neue Produkte zu kaufen.
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