Είμαι βέβαιος ότι έχετε παρατηρήσει ότι βλέπετε μια αξιοσημείωτη διαφορά στο πόσο καλά κρατάει η μπαταρία του τηλεφώνου μια φόρτιση μετά από ένα χρόνο περίπου. Εάν κρατάτε ένα τηλέφωνο για αρκετό καιρό, η μπαταρία του μπορεί να μην έχει αρκετή φόρτιση για να επιβιώσει μια ολόκληρη μέρα. Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί;
Μπαταρίες: Πώς λειτουργούν;
Ο ηλεκτρισμός δεν είναι μαγικός. Στην πραγματικότητα, είναι ένα αρκετά βαρετό θέμα για τους περισσότερους από εμάς και θέλουμε να είναι εκεί μόνο όταν πρέπει να το χρησιμοποιήσουμε. Αλλά για να καταλάβετε γιατί το τηλέφωνό σας χρειάζεται περισσότερη φόρτιση τώρα από ό, τι όταν το πρωτοπαρήκατε, πρέπει να μάθετε λίγα πράγματα για το πώς λειτουργεί μια μπαταρία. Μην ανησυχείτε, 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 ότι «παράγουν» ηλεκτρισμό στην πραγματικότητα μετατρέπουν μόνο μια μορφή ενέργειας σε άλλη, και μια μπαταρία χρησιμοποιεί μια χημική αντίδραση (ενέργεια) για να δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί να μετρηθεί χρόνος. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικά υλικά για την κατασκευή αυτής της φόρτισης και θα παράγουν διαφορετικά αποτελέσματα. Στα τηλέφωνά μας, χρησιμοποιούμε μπαταρίες λιθίου, επειδή παρέχουν ένα αξιοπρεπές επίπεδο απόδοσης με λογικό κόστος.
Η εκτιμώμενη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας τηλεφώνου είναι ακριβώς αυτή — μια εκτίμηση.
Μέσα σε μια μπαταρία τηλεφώνου, θα βρείτε τρία εξαρτήματα που είναι σημαντικά για αυτό που μιλάμε: ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (που ονομάζεται άνοδος και συνήθως από γραφίτη), ένα θετικό ηλεκτρόδιο (που ονομάζεται α κάθοδος και κατασκευασμένο από μείγμα λιθίου και άλλων μετάλλων) και διάλυμα ηλεκτρολύτη. Η χημεία μεταξύ αυτών των τριών πραγμάτων είναι απλή στη βάση της και γι' αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση ενέργειας. Όταν εφαρμόζετε χρέωση προς την τα ηλεκτρόδια (από τον φορτιστή σας) ιόντα λιθίου είναι θετικά φορτισμένα και έλκονται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Όταν τραβάτε ένα φορτίο μακριά από την μπαταρία, αυτά τα ιόντα λιθίου χάνουν το θετικό τους φορτίο και δεν έλκονται πλέον από το αρνητικό ηλεκτρόδιο. Όσο περισσότερο απομακρύνετε την αποθηκευμένη ενέργεια από μια φορτισμένη μπαταρία, τόσο ο αριθμός των ιόντων λιθίου δεν είναι μεγαλύτερης διάρκειας φόρτιση αυξάνεται μέχρις ότου δεν έχουν απομείνει αρκετά από αυτά για να παράγουν οποιαδήποτε έξοδο και η μπαταρία είναι νεκρός. Η σύνδεση του σε 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 μετρηθεί η ωφέλιμη 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 μπορούμε να έχουμε μια εκτίμηση για το πόσο θα περιμένουμε να διαρκέσουν, η μακροζωία της μπαταρίας μετράται με τους κύκλους φόρτισης. Μια μπαταρία τηλεφώνου συνήθως έχει σχεδιαστεί για να διαρκεί περίπου 500 έως 600 κύκλους και ένας κύκλος ορίζεται ως η φόρτιση μιας εντελώς νεκρής μπαταρίας στο 100% και στη συνέχεια η εκφόρτιση της στο μηδέν. Η φόρτιση μιας μπαταρίας στην οποία έχει απομείνει φόρτιση 50% και, στη συνέχεια, η εκκένωση της στο 50% είναι ένας μερικός κύκλος, γι' αυτό θα ακούσετε τους άλλους να σας λένε για να φορτίσετε την μπαταρία σας πριν πέσει χαμηλή και επίσης να ακούσετε τους ανθρώπους να σας λένε το αντίθετο ως τρόπους για να παίξετε το σύστημα και να αποτρέψετε αυτό το 500ο κύκλος. Φυσικά, δεν λειτουργεί έτσι γιατί η μπαταρία δεν μετράει πραγματικά τον αριθμό των κύκλων φόρτισης. Πεντακόσια είναι απλώς μια εκτίμηση.
Μα μακροζωία μπορώ να μετρηθεί σε κύκλους λόγω του τι συμβαίνει όταν φορτίζετε μια μπαταρία και του πώς επηρεάζει τη μελλοντική φόρτιση κύκλους, την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί και το δυναμικό (σκεφτείτε τον αριθμό των βολτ) της αποθηκευμένης χρέωση.
Η οξείδωση και η αποτελεσματικότητα μισούν η μία την άλλη
Επειδή τα ηλεκτρικά οχήματα είναι πραγματικό πράγμα και οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν είναι εξαιρετικά ακριβές, έχουν γίνει πολλές μελέτες σχετικά με το γιατί οι μπαταρίες ιόντων λιθίου υποβαθμίζονται κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Ευτυχώς, αυτό ισχύει και για τις λιγότερο δαπανηρές (αλλά και πάλι ακριβές!) μπαταρίες μέσα στα τηλέφωνά μας και οφείλεται στις χημικές αλλαγές που συμβαίνουν κατά τη φόρτιση των μπαταριών.
Γνωρίζουμε ότι η φόρτιση μιας μπαταρίας φορτίζει θετικά ιόντα λιθίου τα οποία στη συνέχεια έλκονται μαγνητικά (ο ηλεκτρισμός είναι μαγνητισμός) στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Καθώς έλκονται όλο και περισσότερα φορτισμένα ιόντα, το διαφορά δυναμικού μεταξύ του αρνητικού ηλεκτροδίου και του θετικού ηλεκτροδίου αυξάνεται. Έτσι μετράτε την τάση — τη διαφορά δυναμικής ενέργειας μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Μόλις φτάσει σε μια συγκεκριμένη ένδειξη, η μπαταρία θεωρείται πλήρως φορτισμένη. Το αντίθετο ισχύει κατά την εκφόρτιση μιας μπαταρίας και η διαφορά δυναμικού μειώνεται μέχρι να φτάσει στο μηδέν επειδή δεν υπάρχουν περισσότερα 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. Με τον ίδιο τρόπο που το νερό και ο αέρας μπορούν να προκαλέσουν τη σκουριά του σιδήρου (από όπου προέρχεται η λέξη οξείδωση), τα άλατα λιθίου, γραφίτη και ηλεκτρολυτών θα προκαλέσουν την οξείδωση ενός ηλεκτροδίου. Όταν κάθε θετικά φορτισμένο ιόν απογυμνώνεται από την άνοδο σε μια μπαταρία, ένα μικροσκοπικό στρώμα σωματιδίων μένει πίσω και έχει συνδεθεί χημικά με την άνοδο γραφίτη. Αυτά τα σωματίδια είναι κατασκευασμένα από άτομα οξειδίου λιθίου (λίθιο συνδεδεμένο με οξυγόνο) και ανθρακικό λίθιο άτομα (λίθιο συνδεδεμένο με άνθρακα), κανένα από τα οποία δεν έχει τις ίδιες χημικές ή ηλεκτρικές ιδιότητες με γραφίτης. Αυτό το στρώμα παρεμβαίνει στον κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης και αλλάζει τόσο η διαφορά δυναμικού (τάση) όσο και ο αριθμός των φορτισμένων ιόντων που μπορούν να έλκονται. Τελικά, οι αλλαγές είναι αρκετές για να παρατηρήσετε. Εάν συνεχίσετε να χρησιμοποιείτε την μπαταρία και να τη φορτίζετε όπως θα κάνατε συνήθως, θα φτάσετε στο σημείο όπου δεν υπάρχει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια που αποθηκεύεται για να τροφοδοτήσει το τηλέφωνό σας.
Η φόρτιση μιας μπαταρίας αλλάζει ουσιαστικά τη σύνθεση των ηλεκτροδίων και επηρεάζει τον τρόπο φόρτισής της στο μέλλον.
Διαφορετικοί τύποι συνθέσεων λιθίου, καθώς και διαφορετικά άλατα που χρησιμοποιούνται στο διάλυμα ηλεκτρολύτη, έχουν επίδραση στο πόσο από αυτές τις εναποθέσεις παραμένουν πίσω στο ηλεκτρόδιο. Αλλά τα υλικά που κάνουν έναν καθαρότερο κύκλο δεν είναι απαραίτητα τα καλύτερα γιατί δεν μπορούν να παρέχουν τόση αποθηκευμένη ισχύ. Θέλουμε μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας και χαμηλής κατανάλωσης στα τηλέφωνά μας, επειδή είναι πιο ασφαλείς από τις μπαταρίες υψηλής ισχύος (και κοστίζουν λιγότερο) και θέλουμε να παρέχουν ρεύμα στο τηλέφωνό μας όσο μπορούν. Ένα ηλεκτρικό όχημα μπορεί να χρησιμοποιεί μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας και υψηλής ισχύος, επειδή προστατεύονται από ένα συμπαγές πλαίσιο και δεν είναι τόσο πιθανό να καταστραφούν. Είναι απαραίτητα γιατί ένα αυτοκίνητο πρέπει να μπορεί να διανύει μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των φορτίσεων. Αλλά το κόστος μιας μπαταρίας αντικατάστασης για ένα Tesla Model S είναι επίσης 12.000 $. Μέρος αυτού του κόστους προέρχεται από τα ακριβά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μιας μπαταρίας λιθίου-νικελίου-κοβαλτίου-οξειδίου αλουμινίου όπως σε αντίθεση με τις βασικές μπαταρίες λιθίου-κοβαλτίου που χρησιμοποιούνται σε ένα τηλέφωνο που δεν διαρκούν σχεδόν τόσους κύκλους πριν εξευτελίζω.
Η τάση έχει σημασία
Ένας από τους μεγαλύτερους παράγοντες που μπορεί να επηρεάσει πόσους κύκλους θα διαρκέσει μια μπαταρία ιόντων λιθίου είναι η τάση της. Τα τηλέφωνα και τα αυτοκίνητα δεν είναι τα μόνα πράγματα που έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου και το 2015 το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ ξόδεψε πολλά χρήματα και χρόνο για να δείτε ακριβώς τι προκαλεί προβλήματα και πώς να τις μετριαστούν επειδή οι δορυφόροι χρησιμοποιούν μπαταρίες λιθίου 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 φόρτισης που διατηρείται.
Η χημεία που κάνει μια μπαταρία λιθίου να λειτουργεί με φυσικό τρόπο υποβαθμίζει την άνοδο, και γι' αυτό μιλήσαμε παραπάνω. Αλλά εάν φορτίζετε μια μπαταρία με περισσότερα από 3,9 βολτ ή αποθηκεύετε μια φόρτιση με διαφορά δυναμικού μεγαλύτερη 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 τάση συγκράτησης είναι ουσιαστικά το ίδιο πράγμα γιατί σας ενθουσιάζετε όλα εξαρτήματα μιας μπαταρίας, αλλά η φόρτιση εισάγει επίσης θερμότητα και όσο υψηλότερη είναι η τάση φόρτισης τόσο πιο ζεστή θα είναι. Η θερμότητα που εφαρμόζεται όταν μια μπαταρία διεγείρεται υψηλότερα από 3,9 βολτ επιδεινώνει περαιτέρω την υποβάθμιση της καθόδου.
Δεν υπάρχει κανένα μυστικό μάστορα κατασκευαστών μπαταριών που προσπαθούν να μας εξαπατήσουν. είναι όλα χημεία.
Με άλλα λόγια, οι τάσεις που είναι απαραίτητες για την τροφοδοσία ενός σύγχρονου τηλεφώνου και τη γρήγορη φόρτιση της μπαταρίας του σημαίνουν ότι είναι σχεδόν αδύνατο να «διορθωθούν» πράγματα. Όποιος διαθέτει τρυπάνι με μπαταρία το έχει δει αυτό στην πράξη. Οι μπαταρίες 12 ή 14 volt που χρησιμοποιούνται σε ένα εργαλείο δεν διαρκούν σχεδόν τόσους κύκλους όσο αυτοί στα τηλέφωνά μας. Αποθηκεύονται και λειτουργούν σε υψηλότερη τάση, φορτίζονται σε υψηλότερη τάση και πολύ πιο ζεστά και μπορούν να επηρεαστούν αισθητά μετά από μερικούς μόνο κύκλους φόρτισης. Χρησιμοποιούν τις ίδιες βασικές μπαταρίες λιθίου με ένα τηλέφωνο, επειδή χρησιμοποιούμε τα είδη των υλικών που εμείς δείτε σε μια μπαταρία Tesla S θα τα έκανε πιο ακριβά, και απλά δεν έχουν πολύ μεγάλη διάρκεια Διάρκεια Ζωής. Δόξα τω Θεώ, μπορούμε να ανακυκλώσουμε τα περισσότερα από τα υλικά σε αυτά και δεν πνιγόμαστε σε μια θάλασσα από πεταμένες μπαταρίες Makita και Porter-Cable με το λίθιο να είναι πιο ακριβό από τον χρυσό.
Τα καλά νέα είναι ότι όλες οι εταιρείες που κατασκευάζουν μπαταρίες λιθίου εργάζονται για να βελτιώσουν τα πράγματα. Όποιος μπορεί να βρει την πρώτη μπαταρία που διαρκεί σημαντικά περισσότερο, θα βγάλει πολλά χρήματα από αυτήν. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να φορτίζουμε τα τηλέφωνά μας όταν πρέπει να φορτιστούν και να ξέρουμε ότι δεν υπάρχει κάποια συνωμοσία μεταξύ των κατασκευαστών μπαταριών για να μας κάνουν να αγοράζουμε νέα προϊόντα πιο συχνά.
Αυτά τα τηλέφωνα Android έχουν την καλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας