Jag är säker på att du har märkt att du ser en märkbar skillnad i hur bra ett telefonbatteri håller en laddning efter ett år eller så. Om du har en telefon tillräckligt länge kanske dess batteri inte ens har tillräckligt med laddning för att överleva en hel dag. Har du någonsin undrat varför?
Batterier: Hur fungerar de?
Elektricitet är inte magiskt. Faktum är att det är ett ganska tråkigt ämne för de flesta av oss och vi vill bara att det ska finnas där när vi behöver använda det. Men för att förstå varför din telefon behöver laddas mer nu än den gjorde när du först fick den, måste du veta lite om hur ett batteri fungerar. Oroa dig inte, vi kommer att hålla fast vid grunderna här.
Elektricitet, som all slags energi, är inte något du kan skapa. Alla de saker vi tänker på som att "göra" elektricitet är egentligen bara att omvandla en form av energi till en annan, och ett batteri använder en kemisk reaktion (energi) för att bygga upp en elektrisk laddning som kan mätas ut över tid. Olika material kan användas för att bygga denna laddning och de kommer att ge olika resultat. I våra telefoner använder vi litiumbaserade batterier eftersom de ger en anständig utgångsnivå till en rimlig kostnad.
Den beräknade livslängden för ett telefonbatteri är precis det - en uppskattning.
Inuti ett telefonbatteri hittar du tre komponenter som är viktiga för det vi pratar om: en negativ elektrod (kallad en anod och vanligtvis gjord av grafit), en positiv elektrod (kallad a katod och tillverkad av en blandning av litium och andra metaller) och en elektrolytlösning. Kemin mellan dessa tre saker är enkel i sin bas och det är därför de kan användas för att lagra energi. När du tar ut en avgift till elektroderna (från din laddare) litiumjoner är positivt laddade och dras till den negativa elektroden. När du drar bort en laddning från batteriet förlorar dessa litiumjoner sin positiva laddning och dras inte längre till den negativa elektroden. Ju längre du drar bort den lagrade energin från ett laddat batteri, antalet litiumjoner som är nr längre laddade ökar tills det bara inte finns tillräckligt med av dem kvar för att producera någon utgång och batteriet är det död. Att ansluta den till en laddare återställer denna cykel.
"Cirkel" är ett viktigt ord här. Eftersom batterier är designade för att lagra en laddning är det svårt att mäta deras livslängd som en tidsenhet. Ett batteri som håller i två år för dig kanske bara håller sex månader för någon annan eftersom det används på ett annat sätt. Så att vi kan ha en uppskattning av hur länge vi kan förvänta oss att de håller, mäts batteriets livslängd genom laddningscykler. Ett telefonbatteri är vanligtvis utformat för att hålla runt 500 till 600 cykler, och en cykel definieras som att ladda ett helt urladdat batteri till 100 % och sedan tömma det till noll igen. Att ladda ett batteri som har 50 % laddning kvar och sedan tömma det tillbaka till 50 % är en delcykel, vilket är anledningen till att du kommer att höra folk som säger till dig att ladda ditt batteri innan det blir lågt och även höra folk säga motsatsen för dig som ett sätt att spela systemet och undvika den 500:e cykel. Naturligtvis fungerar det inte så eftersom batteriet faktiskt inte räknar antalet laddningscykler. Femhundra är bara en uppskattning.
Men lång livslängd burk mätas i cykler på grund av vad som händer när du laddar ett batteri och hur det påverkar framtida laddning cykler, mängden energi som kan lagras och potentialen (tänk antalet volt) för den lagrade avgift.
Oxidation och effektivitet hatar varandra
Eftersom elfordon är en riktig sak och batterierna de använder är vansinnigt dyra, har massor av studier gjorts om varför litiumjonbatterier bryts ned under sin livstid. Tack och lov gäller detta även de billigare (men fortfarande dyra!) batterierna inuti våra telefoner, och det är på grund av kemiska förändringar som sker under laddning av batterierna.
Vi vet att laddning av ett batteri positivt laddar litiumjoner som sedan magnetiskt (elektricitet är magnetism) attraheras till den negativa elektroden. När fler och fler laddade joner attraheras, potentialskillnad mellan den negativa elektroden och den positiva elektroden ökar. Det är så du mäter spänning — skillnaden mellan potentiell energi mellan två elektroder. När det når en specifik avläsning anses batteriet vara fulladdat. Det motsatta är sant när ett batteri laddas ur och potentialskillnaden minskar tills den når noll eftersom inga fler positivt laddade joner finns vid den negativa elektroden. Men det betyder inte att den negativa elektroden är ren och exakt samma som den var innan du började.
Elektroder oxiderar. På samma sätt som vatten och luft kan få järn att rosta (vilket är där ordet oxidation kommer ifrån), kommer litium-, grafit- och elektrolytsalter att få en elektrod att oxidera. När varje positivt laddad jon tas bort från anoden i ett batteri lämnas ett mikroskopiskt lager av partiklar kvar och har kemiskt bundits till grafitanoden. Dessa partiklar är gjorda av litiumoxid (litium bunden med syre) atomer och litiumkarbonat (litium bunden med kol) atomer, som ingen av dem har samma kemiska eller elektriska egenskaper som grafit. Detta lager stör laddnings-/urladdningscykeln och både potentialskillnaden (spänning) och antalet laddade joner som kan attraheras ändras. Så småningom räcker förändringarna för att märka. Om du fortsätter att använda batteriet och laddar det som vanligt, når du den punkt där det inte finns tillräckligt med elektrisk energi som lagras för att driva din telefon.
Att ladda ett batteri förändrar i huvudsak elektrodernas sammansättning och påverkar hur det kommer att laddas i framtiden.
Olika typer av litiumkompositioner, samt olika salter som används i elektrolytlösningen, har en effekt på hur mycket av dessa avlagringar som lämnas kvar på elektroden. Men materialen som ger en renare cykel är inte nödvändigtvis de bästa eftersom de inte kan ge lika mycket lagrad kraft. Vi vill ha batterier med hög kapacitet och låg effekt i våra telefoner eftersom de är säkrare än högeffektsbatterier (och kostar mindre) och vi vill att de ska ge ström till vår telefon så länge de kan. Ett elfordon kan använda batterier med hög kapacitet och hög effekt eftersom de är skyddade av en solid ram och inte är lika benägna att skadas. De är nödvändiga eftersom en bil måste kunna åka långa sträckor mellan laddningarna. Men kostnaden för ett utbytesbatteri för en Tesla Model S är också $12 000. En del av den kostnaden kommer från de dyra materialen som används för att bygga ett litium-nickel-kobolt-aluminium-oxid-batteri som i motsats till de grundläggande litium-kobolt-batterier som används i en telefon som inte räcker nästan lika många cykler innan de degradera.
Spänning spelar roll
En av de största faktorerna som kan påverka hur många cykler ett litiumjonbatteri kommer att hålla är dess spänning. Telefoner och bilar är inte det enda som är designat för att drivas med laddningsbara litiumbatterier, och 2015 spenderade det amerikanska energidepartementet mycket pengar och tid på att se exakt vad som orsakar problem och hur man kan mildra dem eftersom satelliter använder litiumbaserade batterier och solcellsladdare. Studier fann att efter själva batteriets sammansättning är den näst största boven som kan påverka batteriets livslängd laddningsspänningen och spänningen för den hållna laddningen.
Kemin som får ett litiumbatteri att fungera försämrar naturligt anoden, och det är vad vi pratade om ovan. Men om du laddar ett batteri med mer än 3,9 volt, eller lagrar en laddning med en potentialskillnad som är högre än 3,9 volt, händer samma sorts försämring med katoden (positiv elektrod). Detta halverar i huvudsak livslängden för ett batteri till hälften. Laddspänning och hållen spänning är i huvudsak samma sak eftersom du är spännande alla komponenter i ett batteri, men laddning introducerar också värme, och ju högre laddningsspänning desto varmare det kommer att vara. Värme som appliceras när ett batteri exciteras högre än 3,9 volt förvärrar ytterligare nedbrytningen av katoden.
Det finns ingen hemlig kabal av batteritillverkare som försöker rädda oss; allt är kemi.
Med andra ord betyder de spänningar som krävs för att driva en modern telefon och snabbt ladda dess batteri att det är nästan omöjligt att "fixa" saker. Alla med en batteridriven borr har sett detta i aktion. 12- eller 14-voltsbatterierna som används i ett verktyg håller inte alls lika många cykler som de i våra telefoner. De lagrar och arbetar med högre spänning, laddas med högre spänning och mycket varmare, och kan påverkas märkbart efter bara några laddningscykler. De använder samma grundläggande litiumbaserade batterier som en telefon eftersom de använder den sortens material vi se i ett Tesla S-batteri skulle göra dem dyrare, och de har bara inte så lång tid livstid. Tack och lov kan vi återvinna det mesta av materialet i dem och vi drunknar inte i ett hav av kasserade Makita- och Porter-Cable-batterier där litium är dyrare än guld.
Den goda nyheten är att alla företag som tillverkar litiumbatterier arbetar med att göra saker bättre. Den som kan komma på det första batteriet som håller betydligt längre kommer att tjäna mycket pengar på det. Allt vi kan göra är att ladda våra telefoner när de behöver laddas, och veta att det inte finns någon konspiration mellan batteritillverkarna för att få oss att köpa nya produkter oftare.
Dessa Android-telefoner har den bästa batteritiden