Tenho certeza de que você notou uma diferença notável em como a bateria do telefone retém a carga depois de um ano ou mais. Se você mantiver um telefone por muito tempo, sua bateria pode não ter carga suficiente para durar um dia inteiro. Você já se perguntou por quê?
Baterias: como funcionam?
A eletricidade não é mágica. Na verdade, é um assunto bastante chato para a maioria de nós e só queremos que esteja lá quando precisamos usá-lo. Mas, para entender por que seu telefone precisa ser carregado mais agora do que quando você o comprou, você precisa saber um pouco sobre como funciona uma bateria. Não se preocupe, vamos nos ater ao básico aqui.
A eletricidade, como qualquer tipo de energia, não é algo que você possa criar. Todas as coisas que pensamos como "produção" de eletricidade estão realmente apenas convertendo uma forma de energia em outra, e uma bateria usa uma reação química (energia) para construir uma carga elétrica que pode ser medida ao longo tempo. Diferentes materiais podem ser usados para construir essa carga e produzirão resultados diferentes. Em nossos telefones, usamos baterias à base de lítio porque fornecem um nível de saída decente por um custo razoável.
A vida útil estimada de uma bateria de telefone é apenas isso - uma estimativa.
Dentro de uma bateria de telefone, você encontrará três componentes importantes para o que estamos falando: um eletrodo negativo (chamado de ânodo e normalmente feito de grafite), um eletrodo positivo (chamado cátodo e feito de uma mistura de lítio e outros metais) e uma solução eletrolítica. A química entre essas três coisas é simples em sua base e é por isso que elas podem ser usadas para armazenar energia. Quando você aplica uma cobrança para os íons de lítio dos eletrodos (do seu carregador) são carregados positivamente e são atraídos pelo eletrodo negativo. Quando você retira uma carga da bateria, esses íons de lítio perdem sua carga positiva e não são mais atraídos pelo eletrodo negativo. Quanto mais você puxa a energia armazenada para longe de uma bateria carregada, o número de íons de lítio que não são mais carregados aumentam até que não haja mais o suficiente para produzir qualquer saída e a bateria é morto. Conectá-lo a um carregador redefine esse ciclo.
"Ciclo" é uma palavra importante aqui. Como as baterias são projetadas para armazenar uma carga, é difícil medir sua vida útil como uma unidade de tempo. Uma bateria que dura dois anos para você pode durar apenas seis meses para outra pessoa porque está sendo usada de maneira diferente. Para que possamos ter uma estimativa de quanto tempo esperamos que durem, a longevidade da bateria é medida por ciclos de carga. Uma bateria de telefone é normalmente projetada para durar cerca de 500 a 600 ciclos, e um ciclo é definido como carregar uma bateria completamente descarregada até 100% e depois zerá-la novamente. Carregar uma bateria com 50% de carga restante e depois descarregá-la para 50% é um ciclo parcial, e é por isso que você ouvirá as pessoas dizendo para carregar sua bateria antes que ela fique fraca e também ouvir as pessoas dizendo o contrário como formas de enganar o sistema e evitar o 500º ciclo. Claro, não funciona assim porque a bateria não conta o número de ciclos de carga. Quinhentos é apenas uma estimativa.
mas a longevidade pode ser medido em ciclos por causa do que acontece quando você carrega uma bateria e como isso afeta o carregamento futuro ciclos, a quantidade de energia que pode ser armazenada e o potencial (pense no número de volts) do armazenado cobrar.
Oxidação e eficiência se odeiam
Como os veículos elétricos são reais e as baterias que eles usam são incrivelmente caras, muitos estudos foram feitos sobre por que as baterias de íon-lítio se degradam durante sua vida útil. Felizmente, isso também se aplica às baterias mais baratas (mas ainda caras!) Dentro de nossos telefones, e é por causa das mudanças químicas que ocorrem durante o carregamento das baterias.
Sabemos que carregar uma bateria carrega positivamente íons de lítio que são atraídos magneticamente (eletricidade é magnetismo) para o eletrodo negativo. À medida que mais e mais íons carregados são atraídos, a diferença de potencial entre o eletrodo negativo e o eletrodo positivo aumenta. É assim que você mede a tensão - a diferença de energia potencial entre dois eletrodos. Quando atinge uma leitura específica, a bateria é considerada totalmente carregada. O oposto é verdadeiro ao descarregar uma bateria e a diferença de potencial diminui até chegar a zero porque não há mais íons carregados positivamente presentes no eletrodo negativo. Mas isso não significa que o eletrodo negativo esteja limpo e exatamente igual a antes de você começar.
Eletrodos oxidam. Da mesma forma que a água e o ar podem fazer com que o ferro enferruje (de onde vem a palavra oxidação), sais de lítio, grafite e eletrólitos causarão a oxidação de um eletrodo. Quando cada íon carregado positivamente é retirado do ânodo em uma bateria, uma camada microscópica de partículas é deixada para trás e foi quimicamente ligada ao ânodo de grafite. Essas partículas são feitas de átomos de óxido de lítio (lítio ligado com oxigênio) e carbonato de lítio (lítio ligado com carbono) átomos, nenhum dos quais tem as mesmas propriedades químicas ou elétricas que grafite. Essa camada interfere no ciclo de carga/descarga e tanto a diferença de potencial (tensão) quanto o número de íons carregados que podem ser atraídos mudam. Eventualmente, as mudanças são suficientes para notar. Se você continuar a usar a bateria e carregá-la normalmente, chegará a um ponto em que não haverá energia elétrica suficiente armazenada para alimentar o telefone.
Carregar uma bateria altera essencialmente a composição dos eletrodos e afeta a maneira como ela será carregada no futuro.
Diferentes tipos de composições de lítio, bem como diferentes sais usados na solução eletrolítica, afetam quanto desses depósitos são deixados para trás no eletrodo. Mas os materiais que contribuem para um ciclo mais limpo não são necessariamente os melhores porque não podem fornecer tanta energia armazenada. Queremos baterias de alta capacidade e baixa potência em nossos telefones porque são mais seguras do que as baterias de alta potência (e custam menos) e queremos que forneçam energia ao nosso telefone pelo maior tempo possível. Um veículo elétrico pode usar baterias de alta capacidade e alta potência porque elas são protegidas por uma estrutura sólida e não são tão propensas a serem danificadas. Eles são necessários porque um carro precisa ser capaz de percorrer longas distâncias entre as cargas. Mas o custo de uma bateria de reposição para um Tesla Model S também é de US$ 12.000. Parte desse custo vem dos materiais caros usados para construir uma bateria de lítio-níquel-cobalto-alumínio-óxido como ao contrário das baterias básicas de lítio-cobalto usadas em um telefone que não duram tantos ciclos antes de degradar.
Voltagem é importante
Um dos maiores fatores que podem influenciar quantos ciclos uma bateria de íon-lítio durará é sua voltagem. Telefones e carros não são as únicas coisas projetadas para funcionar com baterias de lítio recarregáveis e, em 2015, o Departamento de Energia dos EUA gastou muito dinheiro e tempo para veja exatamente o que causa problemas e como mitigá-los porque os satélites usam baterias à base de lítio e carregadores solares. Estudos descobriram que, após a composição da própria bateria, o próximo maior culpado que pode afetar a longevidade da bateria é a tensão de carga e a tensão da carga retida.
A química que faz uma bateria de lítio funcionar naturalmente degrada o ânodo, e é sobre isso que falamos acima. Mas se você carregar uma bateria com mais de 3,9 volts, ou armazenar uma carga com uma diferença de potencial maior que 3,9 volts, o mesmo tipo de degradação acontece com o cátodo (eletrodo positivo). Isso essencialmente reduz a longevidade de uma bateria pela metade. A tensão de carga e a tensão mantida são essencialmente a mesma coisa porque você está excitando todos os componentes de uma bateria, mas o carregamento também introduz calor e, quanto maior a tensão de carregamento, mais quente será. O calor aplicado quando uma bateria é excitada acima de 3,9 volts piora ainda mais a degradação do cátodo.
Não existe nenhuma cabala secreta de fabricantes de baterias que estão tentando nos enganar; é tudo química.
Em outras palavras, as voltagens necessárias para alimentar um telefone moderno e carregar rapidamente sua bateria significam que é quase impossível "consertar" as coisas. Qualquer pessoa com uma furadeira movida a bateria já viu isso em ação. As baterias de 12 ou 14 volts usadas em uma ferramenta não duram tantos ciclos quanto as de nossos telefones. Eles armazenam e operam em uma tensão mais alta, carregam em uma tensão mais alta e muito mais quente e podem ser visivelmente afetados após apenas alguns ciclos de carregamento. Eles usam as mesmas baterias básicas à base de lítio de um telefone porque, usando os tipos de materiais que ver em uma bateria Tesla S os tornaria mais caros, e eles simplesmente não têm uma vida muito longa vida. Graças a Deus podemos reciclar a maioria dos materiais neles e não estamos nos afogando em um mar de baterias Makita e Porter-Cable descartadas, sendo o lítio mais caro que o ouro.
A boa notícia é que todas as empresas que fabricam baterias de lítio estão trabalhando para melhorar as coisas. Quem conseguir inventar a primeira bateria que dure significativamente mais ganhará muito dinheiro com isso. Tudo o que podemos fazer é carregar nossos telefones quando eles precisam ser carregados e saber que não há nenhuma conspiração entre os fabricantes de baterias para nos levar a comprar novos produtos com mais frequência.
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