Siguran sam da ste primijetili da vidite primjetnu razliku u tome koliko dobro baterija telefona drži napunjenost nakon otprilike godinu dana. Ako telefon držite dovoljno dugo, njegova baterija možda neće biti dovoljno napunjena da preživi cijeli dan. Jeste li se ikada zapitali zašto?
Baterije: Kako rade?
Struja nije magična. Zapravo, to je prilično dosadna tema za većinu nas i želimo da bude tu samo kada je trebamo koristiti. Ali da biste razumjeli zašto je vaš telefon sada potrebno puniti više nego kad ste ga prvi put dobili, morate znati nešto o tome kako baterija radi. Ne brinite, ovdje ćemo se držati osnova.
Električna energija, kao ni svaka vrsta energije, nije stvar koju možete stvoriti. Sve stvari za koje mislimo da "stvaraju" električnu energiju zapravo samo pretvaraju jedan oblik energije u drugi, a baterija koristi kemijsku reakciju (energiju) za stvaranje električnog naboja koji se može mjeriti preko vrijeme. Različiti materijali mogu se koristiti za izradu ovog naboja i dat će različite rezultate. U našim telefonima koristimo baterije na bazi litija jer pružaju pristojnu razinu izlaza po razumnoj cijeni.
Procijenjeni vijek trajanja baterije telefona je upravo to — procjena.
Unutar baterije telefona pronaći ćete tri komponente koje su važne za ono o čemu govorimo: negativna elektroda (zvana anoda i obično izrađena od grafita), pozitivna elektroda (zvana a katoda i napravljen od mješavine litija i drugih metala) i otopine elektrolita. Kemija između ove tri stvari je u osnovi jednostavna i zato se mogu koristiti za pohranu energije. Kada primijenite naplatu do elektrode (iz vašeg punjača) litijevi ioni su pozitivno nabijeni i privlače ih negativne elektrode. Kada povučete naboj iz baterije, ti litijevi ioni gube svoj pozitivni naboj i više ih ne privlači negativna elektroda. Što dulje izvlačite pohranjenu energiju iz napunjene baterije, broj litijevih iona koji su br dulje napunjen raste sve dok ih jednostavno ne ostane dovoljno za proizvodnju i baterija je mrtav. Priključivanje na punjač poništava ovaj ciklus.
"Ciklus" je ovdje važna riječ. Budući da su baterije dizajnirane za skladištenje napunjenosti, teško je izmjeriti njihov vijek trajanja kao jedinicu vremena. Baterija koja vama traje dvije godine nekom drugom može trajati samo šest mjeseci jer se koristi drugačije. Kako bismo mogli imati procjenu koliko dugo možemo očekivati da će trajati, vijek trajanja baterije mjeri se ciklusima punjenja. Baterija telefona obično je dizajnirana da traje oko 500 do 600 ciklusa, a ciklus se definira kao punjenje potpuno prazne baterije do 100%, a zatim ponovno pražnjenje do nule. Punjenje baterije koja ima 50% napunjenosti, a zatim ponovno pražnjenje na 50% je djelomični ciklus, zbog čega ćete čuti ljude kako vam govore da napunite bateriju prije nego što se isprazni i čujete kako vam ljudi govore suprotno kao načine za igranje sustava i otklanjanje te 500. ciklus. Naravno, to ne funkcionira tako jer baterija zapravo ne broji cikluse punjenja. Pet stotina je samo procjena.
Ali dugovječnost limenka mjeriti u ciklusima zbog onoga što se događa kada punite bateriju i kako to utječe na buduće punjenje ciklusa, količina energije koja se može pohraniti i potencijal (mislite na broj volti) pohranjene naplatiti.
Oksidacija i učinkovitost mrze jedna drugu
Budući da su električna vozila prava stvar, a baterije koje koriste suludo skupe, provedeno je mnogo studija o tome zašto se litij-ionske baterije degradiraju tijekom svog životnog vijeka. Srećom, to se također odnosi na manje skupe (ali još uvijek skupe!) baterije unutar naših telefona, a to je zbog kemijskih promjena koje se događaju tijekom punjenja baterija.
Znamo da punjenje baterije pozitivno nabije litijske ione koji se zatim magnetski (elektricitet je magnetizam) privlače na negativnu elektrodu. Kako se sve više i više nabijenih iona privlači, razlika potencijala između negativne elektrode i pozitivne elektrode raste. Tako se mjeri napon — razlika potencijalne energije između dviju elektroda. Nakon što postigne određeno očitanje, baterija se smatra potpuno napunjenom. Suprotno je istina dok se baterija prazni i razlika potencijala se smanjuje dok ne dosegne nulu jer više nema pozitivno nabijenih iona na negativnoj elektrodi. Ali to ne znači da je negativna elektroda čista i potpuno ista kakva je bila prije nego što ste počeli.
Elektrode oksidiraju. Na isti način na koji voda i zrak mogu uzrokovati hrđanje željeza (odakle dolazi riječ oksidacija), soli litija, grafita i elektrolita uzrokovat će oksidaciju elektrode. Kada se svaki pozitivno nabijeni ion odvoji od anode u bateriji, ostaje mikroskopski sloj čestica koji je kemijski vezan za grafitnu anodu. Te su čestice napravljene od atoma litijeva oksida (litij vezan s kisikom) i litijeva karbonata (litij vezan s ugljikom) atoma, od kojih nijedan nema ista kemijska ili električna svojstva kao grafit. Ovaj sloj ometa ciklus punjenja/pražnjenja i mijenja se razlika potencijala (napona) i broj nabijenih iona koji se mogu privući. Na kraju, promjene su dovoljne za primijetiti. Ako nastavite koristiti bateriju i punite je kao i inače, doći ćete do točke u kojoj nema dovoljno pohranjene električne energije za napajanje vašeg telefona.
Punjenje baterije bitno mijenja sastav elektroda i utječe na način na koji će se baterija puniti u budućnosti.
Različite vrste sastava litija, kao i različite soli koje se koriste u otopini elektrolita, utječu na to koliko tih naslaga ostaje na elektrodi. Ali materijali koji čine čišći ciklus nisu nužno najbolji jer ne mogu pružiti toliko pohranjene energije. Želimo baterije velikog kapaciteta i male snage u našim telefonima jer su sigurnije od baterija velike snage (i koštaju manje) i želimo da daju energiju našem telefonu koliko god mogu. Električno vozilo može koristiti baterije velikog kapaciteta i velike snage jer su zaštićene čvrstim okvirom i nije tako vjerojatno da će se oštetiti. Oni su neophodni jer automobil mora moći prijeći velike udaljenosti između punjenja. Ali cijena zamjenske baterije za Tesla Model S je također 12.000 dolara. Dio tog troška dolazi od skupih materijala korištenih za izradu litij-nikal-kobalt-aluminij-oksidne baterije kao za razliku od osnovnih litij-kobaltnih baterija koje se koriste u telefonu koje ne traju ni približno toliko ciklusa prije nego što degradirati.
Napon je bitan
Jedan od najvećih čimbenika koji može utjecati na to koliko će ciklusa litij-ionska baterija trajati je njezin napon. Telefoni i automobili nisu jedine stvari dizajnirane za rad s punjivim litijevim baterijama, a 2015. Ministarstvo energetike SAD-a potrošilo je mnogo novca i vremena na vidjeti točno što uzrokuje probleme i kako ih ublažiti jer sateliti koriste baterije na bazi litija i solarne punjače. Studije su otkrile da je, nakon sastava same baterije, sljedeći najveći krivac koji može utjecati na vijek trajanja baterije napon punjenja i napon zadržanog punjenja.
Kemija koja omogućuje rad litijske baterije prirodno degradira anodu, a to je ono o čemu smo govorili gore. Ali ako punite bateriju s više od 3,9 volti ili pohranite naboj s razlikom potencijala većom od 3,9 volti, ista vrsta degradacije događa se katodi (pozitivnoj elektrodi). Ovo u biti prepolovljuje životni vijek baterije. Napon punjenja i napon zadržavanja u biti su ista stvar jer ste sve uzbudljivi komponente baterije, ali punjenje također dovodi do topline, a što je viši napon punjenja to je toplije biti će. Toplina primijenjena kada je baterija pobuđena višom od 3,9 volta dodatno pogoršava degradaciju katode.
Ne postoji tajna kabala proizvođača baterija koja nas pokušava prevariti; sve je to kemija.
Drugim riječima, naponi potrebni za napajanje modernog telefona i brzo punjenje njegove baterije znače da je gotovo nemoguće "popraviti" stvari. Svatko tko ima bušilicu na baterije vidio je ovo na djelu. Baterije od 12 ili 14 volti koje se koriste u alatima ne traju ni približno onoliko ciklusa koliko one u našim telefonima. Pohranjuju i rade na višem naponu, pune se na višem naponu i mnogo su topliji, a na njih se može vidljivo utjecati nakon samo nekoliko ciklusa punjenja. Koriste iste osnovne baterije na bazi litija kao telefon jer koriste vrste materijala koje mi koristimo vidjeti u Teslinoj S bateriji bi ih poskupilo, a jednostavno nemaju jako dugo doživotno. Hvala bogu da možemo reciklirati većinu materijala u njima i ne utapamo se u moru odbačenih Makita i Porter-Cable baterija jer je litij skuplji od zlata.
Dobra je vijest da sve tvrtke koje proizvode litijeve baterije rade na poboljšanju stvari. Tko god smisli prvu bateriju koja traje značajno dulje, zaradit će na tome veliku lovu. Sve što možemo učiniti je puniti naše telefone kada ih treba napuniti i znati da ne postoji neka zavjera između proizvođača baterija koja bi nas natjerala da češće kupujemo nove proizvode.
Ovi Android telefoni imaju najbolje trajanje baterije