Estoy seguro de que ha notado que ve una diferencia notable en qué tan bien la batería de un teléfono mantiene la carga después de un año más o menos. Si mantiene un teléfono el tiempo suficiente, es posible que su batería ni siquiera tenga suficiente carga para sobrevivir un día entero. ¿Te has preguntado alguna vez por qué?
Baterías: ¿Cómo funcionan?
La electricidad no es mágica. De hecho, es un tema bastante aburrido para la mayoría de nosotros y solo queremos que esté allí cuando lo necesitemos. Pero para comprender por qué su teléfono necesita cargarse más ahora que cuando lo recibió por primera vez, necesita saber un poco sobre cómo funciona una batería. No te preocupes, aquí nos quedaremos con lo básico.
La electricidad, como cualquier tipo de energía, no es algo que puedas crear. Todas las cosas que pensamos que "hacen" electricidad en realidad solo están convirtiendo una forma de energía en otra, y una batería utiliza una reacción química (energía) para generar una carga eléctrica que se puede medir sobre tiempo. Se pueden usar diferentes materiales para construir esta carga y producirán diferentes resultados. En nuestros teléfonos, usamos baterías de litio porque brindan un nivel de salida decente a un costo razonable.
La vida útil estimada de la batería de un teléfono es solo eso: una estimación.
Dentro de la batería de un teléfono, encontrará tres componentes que son importantes para lo que estamos hablando: un electrodo negativo (llamado ánodo y típicamente hecho de grafito), un electrodo positivo (llamado cátodo y hecho de una mezcla de litio y otros metales) y una solución electrolítica. La química entre estas tres cosas es simple en su base y es por eso que pueden usarse para almacenar energía. Cuando aplicas un cargo a Los electrodos (de su cargador) tienen iones de litio cargados positivamente y son atraídos por el electrodo negativo. Cuando retira una carga de la batería, estos iones de litio pierden su carga positiva y ya no son atraídos por el electrodo negativo. Cuanto más tiempo extraiga la energía almacenada de una batería cargada, la cantidad de iones de litio que no la carga aumenta hasta que ya no quedan suficientes para producir ningún rendimiento y la batería se agota. muerto. Conectándolo a un cargador se restablece este ciclo.
"Ciclo" es una palabra importante aquí. Debido a que las baterías están diseñadas para almacenar una carga, es difícil medir su vida útil como unidad de tiempo. Una batería que le dura dos años a usted puede durar solo seis meses a otra persona porque se usa de manera diferente. Para que podamos tener una estimación de cuánto tiempo se espera que duren, la longevidad de la batería se mide por ciclos de carga. La batería de un teléfono generalmente está diseñada para durar alrededor de 500 a 600 ciclos, y un ciclo se define como cargar una batería completamente agotada al 100% y luego volver a drenarla a cero. Cargar una batería a la que le queda un 50 % de carga y luego volver a agotarla hasta el 50 % es un ciclo parcial, por lo que escuchará a la gente decirte para cargar la batería antes de que se agote y también escuchar a las personas que le dicen lo contrario como formas de jugar con el sistema y evitar ese número 500 ciclo. Por supuesto, no funciona así porque la batería en realidad no cuenta el número de ciclos de carga. Quinientos es solo una estimación.
Pero la longevidad poder medirse en ciclos debido a lo que sucede cuando carga una batería y cómo afecta la carga futura ciclos, la cantidad de energía que se puede almacenar y el potencial (piense en el número de voltios) de la energía almacenada cargar.
La oxidación y la eficiencia se odian
Debido a que los vehículos eléctricos son algo real y las baterías que usan son increíblemente caras, se han realizado muchos estudios sobre por qué las baterías de iones de litio se degradan durante su vida útil. Afortunadamente, esto también se aplica a las baterías menos costosas (¡pero igualmente caras!) que se encuentran dentro de nuestros teléfonos, y se debe a los cambios químicos que ocurren durante la carga de las baterías.
Sabemos que cargar una batería carga positivamente los iones de litio que luego son atraídos magnéticamente (la electricidad es magnetismo) hacia el electrodo negativo. A medida que se atraen más y más iones cargados, la diferencia de potencial entre el electrodo negativo y el electrodo positivo aumenta. Así es como se mide el voltaje: la diferencia de energía potencial entre dos electrodos. Una vez que alcanza una lectura específica, la batería se considera completamente cargada. Lo contrario es cierto cuando se descarga una batería y la diferencia de potencial disminuye hasta que llega a cero porque no hay más iones cargados positivamente en el electrodo negativo. Pero eso no significa que el electrodo negativo esté limpio y exactamente igual que antes de empezar.
Los electrodos se oxidan. De la misma manera que el agua y el aire pueden causar la oxidación del hierro (que es de donde proviene la palabra oxidación), el litio, el grafito y las sales de electrolitos harán que un electrodo se oxide. Cuando todos los iones cargados positivamente se eliminan del ánodo de una batería, queda una capa microscópica de partículas que se ha unido químicamente al ánodo de grafito. Estas partículas están hechas de átomos de óxido de litio (litio unido con oxígeno) y carbonato de litio (litio enlazado con carbono) átomos, ninguno de los cuales tiene las mismas propiedades químicas o eléctricas que grafito. Esta capa interfiere con el ciclo de carga/descarga y cambia tanto la diferencia de potencial (voltaje) como el número de iones cargados que pueden ser atraídos. Eventualmente, los cambios son suficientes para notarlo. Si continúa usando la batería y la carga como lo haría normalmente, llega al punto en que no hay suficiente energía eléctrica almacenada para alimentar su teléfono.
Cargar una batería esencialmente cambia la composición de los electrodos y afecta la forma en que se cargará en el futuro.
Los diferentes tipos de composiciones de litio, así como las diferentes sales utilizadas en la solución electrolítica, tienen un efecto sobre la cantidad de estos depósitos que quedan en el electrodo. Pero los materiales que forman un ciclo más limpio no son necesariamente los mejores porque no pueden proporcionar tanta energía almacenada. Queremos baterías de alta capacidad y baja potencia en nuestros teléfonos porque son más seguras que las baterías de alta potencia (y cuestan menos) y queremos que proporcionen energía a nuestro teléfono todo el tiempo que puedan. Un vehículo eléctrico puede usar baterías de alta capacidad y alta potencia porque están protegidas por un marco sólido y es menos probable que se dañen. Son necesarios porque un automóvil debe poder recorrer largas distancias entre cargas. Pero el costo de una batería de reemplazo para un Tesla Model S también es de $12,000. Parte de ese costo proviene de los costosos materiales utilizados para construir una batería de óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio como a diferencia de las baterías básicas de litio-cobalto utilizadas en un teléfono que no duran tantos ciclos antes de degradar.
El voltaje importa
Uno de los factores más importantes que pueden influir en la cantidad de ciclos que durará una batería de iones de litio es su voltaje. Los teléfonos y los automóviles no son las únicas cosas diseñadas para funcionar con baterías de litio recargables, y en 2015 el Departamento de Energía de EE. UU. gastó mucho dinero y tiempo para ver exactamente lo que causa problemas y cómo mitigarlos porque los satélites usan baterías a base de litio y cargadores solares. Los estudios encontraron que después de la composición de la batería en sí, el siguiente mayor culpable que puede afectar la longevidad de la batería es el voltaje de carga y el voltaje de la carga retenida.
La química que hace que una batería de litio funcione naturalmente degrada el ánodo, y eso es de lo que hablamos anteriormente. Pero si carga una batería con más de 3,9 voltios, o almacena una carga con una diferencia de potencial superior a 3,9 voltios, el mismo tipo de degradación ocurre en el cátodo (electrodo positivo). Esto esencialmente reduce la longevidad de una batería a la mitad. El voltaje de carga y el voltaje sostenido son esencialmente lo mismo porque estás excitando todo el componentes de una batería, pero la carga también introduce calor, y cuanto mayor sea el voltaje de carga, más caliente será. El calor aplicado cuando una batería se excita a más de 3,9 voltios empeora aún más la degradación del cátodo.
No existe una camarilla secreta de fabricantes de baterías que estén tratando de desplumarnos; todo es quimica
En otras palabras, los voltajes necesarios para alimentar un teléfono moderno y cargar rápidamente su batería significan que es casi imposible "arreglar" las cosas. Cualquiera que tenga un taladro a batería lo ha visto en acción. Las baterías de 12 o 14 voltios que se usan en una herramienta no duran tantos ciclos como las de nuestros teléfonos. Almacenan y funcionan a un voltaje más alto, se cargan a un voltaje más alto y mucho más calientes, y pueden verse afectados notablemente después de unos pocos ciclos de carga. Usan las mismas baterías básicas de litio que un teléfono porque al usar el tipo de materiales que ver en una batería Tesla S los haría más caros, y simplemente no tienen una vida útil muy larga toda la vida. Gracias a Dios, podemos reciclar la mayoría de los materiales que contienen y no nos estamos ahogando en un mar de baterías Makita y Porter-Cable descartadas en las que el litio es más caro que el oro.
La buena noticia es que todas las empresas que fabrican baterías de litio están trabajando para mejorar las cosas. Quien pueda crear la primera batería que dure mucho más ganará mucho dinero con ella. Todo lo que podemos hacer es cargar nuestros teléfonos cuando sea necesario, y saber que no existe una conspiración entre los fabricantes de baterías para que compremos productos nuevos con más frecuencia.
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