Je hebt vast gemerkt dat je een merkbaar verschil ziet in hoe goed de batterij van een telefoon na ongeveer een jaar opgeladen blijft. Als je een telefoon lang genoeg bewaart, is de batterij misschien niet eens voldoende opgeladen om een hele dag mee te gaan. Heb je je ooit afgevraagd waarom?
Batterijen: hoe werken ze?
Elektriciteit is niet magisch. In feite is het voor de meesten van ons een behoorlijk saai onderwerp en we willen dat het er alleen is als we het nodig hebben. Maar om te begrijpen waarom uw telefoon nu meer moet worden opgeladen dan toen u hem voor het eerst kreeg, moet u een beetje weten hoe een batterij werkt. Maak je geen zorgen, we houden het hier bij de basis.
Elektriciteit, zoals elke vorm van energie, is niet iets dat je kunt creëren. Alle dingen waarvan we denken dat ze elektriciteit 'maken', zijn eigenlijk alleen maar het omzetten van de ene vorm van energie in de andere. en een batterij gebruikt een chemische reactie (energie) om een elektrische lading op te bouwen die kan worden afgemeten tijd. Er kunnen verschillende materialen worden gebruikt om deze lading op te bouwen en ze zullen verschillende resultaten opleveren. In onze telefoons gebruiken we op lithium gebaseerde batterijen omdat ze tegen een redelijke prijs een behoorlijk outputniveau bieden.
De geschatte levensduur van een telefoonbatterij is precies dat: een schatting.
In een telefoonbatterij vind je drie componenten die belangrijk zijn voor waar we het over hebben: een negatieve elektrode (een anode en meestal gemaakt van grafiet), een positieve elektrode (een zogenaamde kathode en gemaakt van een mix van lithium en andere metalen), en een elektrolytoplossing. De chemie tussen deze drie dingen is in de basis eenvoudig en daarom kunnen ze worden gebruikt om energie op te slaan. Wanneer u een toeslag toepast naar de elektroden (van je oplader) lithiumionen zijn positief geladen en worden aangetrokken door de negatieve elektrode. Wanneer je een lading wegtrekt van de batterij, verliezen deze lithiumionen hun positieve lading en worden ze niet meer aangetrokken door de negatieve elektrode. Hoe langer je de opgeslagen energie uit een opgeladen batterij haalt, hoe meer lithiumionen er niet zijn langer opgeladen neemt toe totdat er gewoon niet genoeg meer zijn om enige output te produceren en de batterij is dood. Door hem op een oplader aan te sluiten, wordt deze cyclus gereset.
"Cyclus" is hier een belangrijk woord. Omdat batterijen zijn ontworpen om lading op te slaan, is het moeilijk om hun bruikbare levensduur als tijdseenheid te meten. Een batterij die bij jou twee jaar meegaat, gaat bij een ander misschien maar zes maanden mee omdat hij anders wordt gebruikt. Om een schatting te kunnen maken van hoe lang ze naar verwachting meegaan, wordt de levensduur van de batterij gemeten aan de hand van oplaadcycli. Een telefoonbatterij is doorgaans ontworpen om ongeveer 500 tot 600 cycli mee te gaan, en een cyclus wordt gedefinieerd als het opladen van een volledig lege batterij tot 100% en vervolgens weer leegmaken. Het opladen van een batterij die nog voor 50% is opgeladen en vervolgens weer leegmaken tot 50% is een gedeeltelijke cyclus, daarom hoor je mensen je vertellen om je batterij op te laden voordat deze bijna leeg is en ook om te horen dat mensen je het tegenovergestelde vertellen als manieren om het systeem te misleiden en die 500e te voorkomen fiets. Zo werkt het natuurlijk niet, omdat de batterij het aantal laadcycli niet echt telt. Vijfhonderd is slechts een schatting.
Maar een lang leven kan worden gemeten in cycli vanwege wat er gebeurt wanneer u een batterij oplaadt en hoe dit het toekomstige opladen beïnvloedt cycli, de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen en het potentieel (denk aan het aantal volt) van de opgeslagen aanval.
Oxidatie en efficiëntie haten elkaar
Omdat elektrische voertuigen echt zijn en de batterijen die ze gebruiken waanzinnig duur zijn, zijn er veel onderzoeken gedaan naar waarom lithium-ionbatterijen tijdens hun levensduur achteruitgaan. Gelukkig geldt dit ook voor de goedkopere (maar nog steeds dure!) Batterijen in onze telefoons, en dit komt door chemische veranderingen die plaatsvinden tijdens het opladen van de batterijen.
We weten dat het opladen van een batterij lithiumionen positief oplaadt, die vervolgens magnetisch (elektriciteit is magnetisme) worden aangetrokken door de negatieve elektrode. Naarmate er meer en meer geladen ionen worden aangetrokken, zal de verschil in potentiaal tussen de negatieve elektrode en positieve elektrode toeneemt. Dat is hoe je spanning meet - het verschil in potentiële energie tussen twee elektroden. Zodra het een bepaalde waarde bereikt, wordt de batterij als volledig opgeladen beschouwd. Het tegenovergestelde is waar bij het ontladen van een batterij en het potentiaalverschil neemt af totdat het nul bereikt omdat er geen positief geladen ionen meer aanwezig zijn bij de negatieve elektrode. Maar dat betekent niet dat de negatieve elektrode schoon is en precies hetzelfde als voordat u begon.
Elektroden oxideren. Net zoals water en lucht ijzer kunnen laten roesten (waar het woord oxidatie vandaan komt), zullen lithium-, grafiet- en elektrolytzouten een elektrode doen oxideren. Wanneer elk positief geladen ion van de anode in een batterij wordt verwijderd, blijft een microscopisch kleine laag deeltjes achter die chemisch is gebonden aan de grafietanode. Deze deeltjes zijn gemaakt van lithiumoxide (lithium gebonden met zuurstof) atomen en lithiumcarbonaat (lithium gebonden met koolstof) atomen, die geen van beide dezelfde chemische of elektrische eigenschappen hebben als grafiet. Deze laag verstoort de laad-/ontlaadcyclus en zowel het verschil in potentiaal (spanning) als het aantal geladen ionen dat kan worden aangetrokken, verandert. Uiteindelijk zijn de veranderingen voldoende om op te merken. Als u de batterij blijft gebruiken en opladen zoals u normaal zou doen, bereikt u het punt waarop er niet genoeg elektrische energie wordt opgeslagen om uw telefoon van stroom te voorzien.
Het opladen van een batterij verandert in wezen de samenstelling van de elektroden en beïnvloedt de manier waarop deze in de toekomst zal worden opgeladen.
Verschillende soorten lithiumsamenstellingen, evenals verschillende zouten die in de elektrolytoplossing worden gebruikt, hebben invloed op hoeveel van deze afzettingen op de elektrode achterblijven. Maar de materialen die voor een schonere cyclus zorgen, zijn niet noodzakelijkerwijs de beste, omdat ze niet zoveel opgeslagen energie kunnen leveren. We willen batterijen met een hoge capaciteit en een laag vermogen in onze telefoons omdat ze veiliger zijn dan batterijen met een hoog vermogen (en minder kosten) en we willen dat ze onze telefoon zo lang mogelijk van stroom voorzien. Een elektrisch voertuig kan batterijen met een hoge capaciteit en een hoog vermogen gebruiken omdat ze worden beschermd door een stevig frame en minder snel beschadigd raken. Ze zijn nodig omdat een auto lange afstanden tussen oplaadbeurten moet kunnen afleggen. Maar de kosten van een vervangende batterij voor een Tesla Model S zijn ook $ 12.000. Een deel van die kosten komt van de dure materialen die worden gebruikt om een lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide-batterij te bouwen, zoals in tegenstelling tot de standaard lithium-kobaltbatterijen die worden gebruikt in een telefoon die lang niet zoveel cycli meegaat voordat ze degraderen.
Spanning is belangrijk
Een van de grootste factoren die van invloed kunnen zijn op het aantal cycli dat een lithium-ionbatterij meegaat, is de spanning. Telefoons en auto's zijn niet de enige dingen die zijn ontworpen om op oplaadbare lithiumbatterijen te werken, en in 2015 heeft het Amerikaanse ministerie van Energie veel geld en tijd besteed aan precies zien wat de problemen veroorzaakt en hoe ze kunnen worden beperkt, omdat satellieten op lithium gebaseerde batterijen en zonneladers gebruiken. Studies hebben aangetoond dat, na de samenstelling van de batterij zelf, de op een na grootste boosdoener die de levensduur van de batterij kan beïnvloeden, de laadspanning en de spanning van de vastgehouden lading is.
De chemie die ervoor zorgt dat een lithiumbatterij werkt, degradeert op natuurlijke wijze de anode, en daar hebben we het hierboven over gehad. Maar als u een batterij oplaadt met meer dan 3,9 volt, of een lading opslaat met een potentiaalverschil van meer dan 3,9 volt, vindt dezelfde soort degradatie plaats met de kathode (positieve elektrode). Dit halveert in wezen de levensduur van een batterij. Laadspanning en vastgehouden spanning zijn in wezen hetzelfde, omdat je de hele tijd opwindt componenten van een batterij, maar het opladen brengt ook warmte met zich mee, en hoe hoger de laadspanning, hoe heter het zal zijn. Warmte die wordt toegepast wanneer een batterij hoger dan 3,9 volt wordt aangeslagen, verergert de degradatie van de kathode nog verder.
Er is geen geheime kliek van batterijfabrikanten die ons probeert te bedriegen; het is allemaal chemie.
Met andere woorden, de voltages die nodig zijn om een moderne telefoon van stroom te voorzien en de batterij snel op te laden, betekenen dat het bijna onmogelijk is om dingen te 'repareren'. Iedereen met een accuboormachine heeft dit in actie gezien. De 12- of 14-volt-batterijen die in een gereedschap worden gebruikt, gaan lang niet zo lang mee als die in onze telefoons. Ze slaan op en werken op een hogere spanning, laden op met een hogere spanning en veel heter, en kunnen al na enkele oplaadcycli merkbaar worden beïnvloed. Ze gebruiken dezelfde basisbatterijen op basis van lithium als een telefoon, omdat we het soort materialen gebruiken dat we gebruiken zien in een Tesla S-batterij zou ze duurder maken, en ze hebben gewoon niet erg lang levenslang. Godzijdank kunnen we de meeste materialen erin recyclen en verdrinken we niet in een zee van afgedankte Makita- en Porter-Cable-batterijen, waarbij lithium duurder is dan goud.
Het goede nieuws is dat alle bedrijven die lithiumbatterijen maken, eraan werken om dingen beter te maken. Wie de eerste batterij kan bedenken die beduidend langer meegaat, zal er veel geld aan verdienen. Het enige dat we kunnen doen, is onze telefoons opladen wanneer ze moeten worden opgeladen, en weten dat er geen samenzwering is tussen batterijfabrikanten om ons ertoe te brengen vaker nieuwe producten te kopen.
Deze Android-telefoons hebben de beste batterijduur