Prepričan sem, da ste opazili, da opazite opazno razliko v tem, kako dobro baterija telefona drži napolnjenost po enem letu. Če telefon hranite dovolj dolgo, njegova baterija morda ne bo dovolj napolnjena, da bi preživela cel dan. Ste se kdaj vprašali zakaj?
Baterije: Kako delujejo?
Elektrika ni čarobna. Pravzaprav je za večino od nas to precej dolgočasna tema in želimo, da je tam le, ko jo moramo uporabiti. Če želite razumeti, zakaj je treba vaš telefon zdaj napolniti več kot takrat, ko ste ga prvič dobili, morate vedeti nekaj o delovanju baterije. Ne skrbite, tukaj se bomo držali osnov.
Elektrike, tako kot katere koli vrste energije, ne morete ustvariti. Vse stvari, za katere menimo, da "proizvajajo" elektriko, v resnici le pretvarjajo eno obliko energije v drugo, in baterija uporablja kemično reakcijo (energijo), da ustvari električni naboj, ki ga je mogoče odmeriti čas. Za izdelavo tega naboja se lahko uporabijo različni materiali, ki bodo dali različne rezultate. V naših telefonih uporabljamo baterije na osnovi litija, ker zagotavljajo spodobno raven izhoda za razumno ceno.
Predvidena življenjska doba baterije telefona je samo to – ocena.
Znotraj baterije telefona boste našli tri komponente, ki so pomembne za to, o čemer govorimo: negativno elektrodo (imenovano anoda in običajno izdelana iz grafita), pozitivna elektroda (imenovana a katoda in izdelan iz mešanice litija in drugih kovin) in raztopine elektrolita. Kemija med temi tremi stvarmi je v osnovi preprosta in zato jih je mogoče uporabiti za shranjevanje energije. Ko zaračunate do elektrode (iz vašega polnilnika) so litijevi ioni pozitivno nabiti in jih privlači negativna elektroda. Ko napolnite baterijo, ti litijevi ioni izgubijo svoj pozitivni naboj in jih negativna elektroda ne privlači več. Dlje kot odvzemate shranjeno energijo iz napolnjene baterije, večja je količina litijevih ionov, ki so št dlje časa napolnjene se povečujejo, dokler jih preprosto ne zmanjka, da bi proizvedle kakršno koli moč, in baterija je mrtev. Če ga priključite na polnilnik, se ta cikel ponastavi.
"Cikel" je tukaj pomembna beseda. Ker so baterije zasnovane za shranjevanje naboja, je njihovo življenjsko dobo težko izmeriti kot časovno enoto. Baterija, ki vam zdrži dve leti, lahko nekomu drugemu zdrži le šest mesecev, ker se uporablja drugače. Da lahko ocenimo, kako dolgo lahko pričakujemo, da bodo trajale, se življenjska doba baterije meri s cikli polnjenja. Baterija telefona je običajno zasnovana tako, da zdrži približno 500 do 600 ciklov, cikel pa je opredeljen kot polnjenje popolnoma prazne baterije do 100 % in nato ponovno izpraznitev do nič. Polnjenje baterije, ki ima še 50 % napolnjenosti, in nato izpraznitev nazaj na 50 % je delni cikel, zato boste slišali ljudi, ki vam govorijo da napolnite baterijo, preden se izprazni, in tudi slišite ljudi, ki vam govorijo nasprotno, kot načine za igranje sistema in preprečitev te 500. cikel. Seveda ne gre tako, ker baterija dejansko ne šteje števila ciklov polnjenja. Petsto je samo ocena.
Ampak dolgoživost lahko meriti v ciklih zaradi tega, kaj se zgodi, ko polnite baterijo in kako to vpliva na prihodnje polnjenje ciklov, količino energije, ki jo je mogoče shraniti, in potencial (pomislite na število voltov) shranjene napolniti.
Oksidacija in učinkovitost se sovražita
Ker so električna vozila prava stvar in so baterije, ki jih uporabljajo, noro drage, je bilo opravljenih veliko študij o tem, zakaj se litij-ionske baterije med življenjsko dobo razgradijo. Na srečo to velja tudi za manj drage (a še vedno drage!) baterije v naših telefonih, in to zaradi kemičnih sprememb, ki se zgodijo med polnjenjem baterij.
Vemo, da polnjenje baterije pozitivno nabije litijeve ione, ki jih nato magnetno (elektrika je magnetizem) pritegne negativna elektroda. Ker se privlači vedno več nabitih ionov, se razlika potenciala med negativno elektrodo in pozitivno elektrodo se poveča. Tako merite napetost — razliko potencialne energije med dvema elektrodama. Ko doseže določeno vrednost, se baterija šteje za popolnoma napolnjeno. Nasprotno je med praznjenjem baterije in razlika potenciala se zmanjšuje, dokler ne doseže nič, ker na negativni elektrodi ni več pozitivno nabitih ionov. Vendar to ne pomeni, da je negativna elektroda čista in popolnoma enaka, kot je bila, preden ste začeli.
Elektrode oksidirajo. Enako kot lahko voda in zrak povzročita rjavenje železa (od koder izvira beseda oksidacija), bodo litijeve, grafitne in elektrolitske soli povzročile oksidacijo elektrode. Ko se vsak pozitivno nabit ion odstrani z anode v bateriji, ostane mikroskopska plast delcev, ki je bila kemično vezana na grafitno anodo. Ti delci so narejeni iz atomov litijevega oksida (litij, vezan s kisikom) in litijevega karbonata (litij, vezan z ogljikom) atomi, od katerih nobeden nima enakih kemičnih ali električnih lastnosti kot grafit. Ta plast ovira cikel polnjenja/praznjenja in spreminjata se razlika potenciala (napetosti) in število nabitih ionov, ki jih je mogoče pritegniti. Sčasoma so spremembe dovolj opazne. Če še naprej uporabljate baterijo in jo polnite kot običajno, pridete do točke, ko ne bo shranjene dovolj električne energije za napajanje vašega telefona.
Polnjenje baterije bistveno spremeni sestavo elektrod in vpliva na način polnjenja v prihodnosti.
Različne vrste litijevih sestavkov in tudi različne soli, uporabljene v raztopini elektrolitov, vplivajo na to, koliko teh usedlin ostane na elektrodi. Toda materiali, ki omogočajo čistejši cikel, niso nujno najboljši, ker ne morejo zagotoviti toliko shranjene energije. V svojih telefonih želimo baterije z visoko zmogljivostjo in nizko porabo energije, ker so varnejše od baterij z veliko močjo (in stanejo manj) in želimo, da zagotavljajo napajanje našemu telefonu, dokler lahko. Električno vozilo lahko uporablja visoko zmogljive in zmogljive baterije, ker so zaščitene s trdnim okvirjem in ni tako verjetno, da bi se poškodovale. Potrebni so, ker mora biti avto sposoben prevoziti velike razdalje med polnjenji. Toda cena nadomestne baterije za Tesla Model S je prav tako 12.000 $. Del teh stroškov izhaja iz dragih materialov, uporabljenih za izdelavo baterije litij-nikelj-kobalt-aluminijev oksid v nasprotju z osnovnimi litij-kobalt baterijami, ki se uporabljajo v telefonu, ki ne zdržijo niti približno toliko ciklov, preden degradirati.
Napetost je pomembna
Eden največjih dejavnikov, ki lahko vplivajo na to, koliko ciklov bo zdržala litij-ionska baterija, je njena napetost. Telefoni in avtomobili niso edine stvari, zasnovane za delovanje na polnilne litijeve baterije, in leta 2015 je Ministrstvo za energijo ZDA porabilo veliko denarja in časa za natančno ugotovite, kaj povzroča težave in kako jih ublažiti, ker sateliti uporabljajo baterije na osnovi litija in solarne polnilnike. Študije so pokazale, da je po sestavi same baterije naslednji največji krivec, ki lahko vpliva na življenjsko dobo baterije, polnilna napetost in napetost zadržanega naboja.
Kemija, zaradi katere litijeva baterija deluje, naravno razgradi anodo in o tem smo govorili zgoraj. Če pa baterijo napolnite z več kot 3,9 volti ali shranite naboj z razliko potenciala, višjo od 3,9 voltov, se enaka vrsta razgradnje zgodi s katodo (pozitivno elektrodo). To bistveno skrajša življenjsko dobo baterije za polovico. Polnilna napetost in zadržana napetost sta v bistvu ista stvar, ker ste vsi vznemirljivi sestavnih delov baterije, vendar polnjenje povzroča tudi toploto in višja kot je polnilna napetost, bolj je vroča bo. Toplota, ki se uporablja, ko je baterija vzbujena nad 3,9 volta, še poslabša razgradnjo katode.
Ne obstaja nobena skrivna kabala proizvajalcev baterij, ki bi nas skušala prevzeti; vse je kemija.
Z drugimi besedami, napetosti, potrebne za napajanje sodobnega telefona in hitro polnjenje njegove baterije, pomenijo, da je stvari skoraj nemogoče "popraviti". Vsak, ki ima vrtalnik na akumulator, je to videl v akciji. 12- ali 14-voltne baterije, ki se uporabljajo v orodju, ne zdržijo niti približno toliko ciklov kot tiste v naših telefonih. Shranjujejo in delujejo pri višji napetosti, polnijo se pri višji napetosti in so veliko bolj vroče, nanje pa lahko opazno vpliva že po nekaj ciklih polnjenja. Uporabljajo enake osnovne litijeve baterije kot telefon, ker uporabljajo vrste materialov, kot jih mi glej v bateriji Tesla S bi jih podražila, pa tudi nimajo prav dolgo življenska doba. Hvala bogu, da lahko večino materialov v njih recikliramo in se ne utapljamo v morju zavrženih baterij Makita in Porter-Cable, saj je litij dražji od zlata.
Dobra novica je, da si vsa podjetja, ki izdelujejo litijeve baterije, prizadevajo izboljšati stvari. Kdor se bo domislil prve baterije, ki bo zdržala bistveno dlje, bo s tem veliko zaslužil. Vse, kar lahko storimo, je, da napolnimo svoje telefone, ko jih je treba napolniti, in vemo, da med proizvajalci baterij ni neke zarote, ki bi nas prisilila k pogostejšemu nakupu novih izdelkov.
Ti telefoni Android imajo najboljšo življenjsko dobo baterije