Indholdsfortegnelse:
Jeg er sikker på, at du har bemærket, at du ser en mærkbar forskel i, hvor godt et telefonbatteri oplader efter et år eller deromkring. Hvis du holder en telefon længe nok, har batteriet muligvis ikke engang nok opladning til at overleve en hel dag. Har du nogensinde undret dig over, hvorfor?
Batterier: Hvordan fungerer de?
Elektricitet er ikke magisk. Faktisk er det et temmelig kedeligt emne for de fleste af os, og vi ønsker kun, at det skal være der, når vi har brug for det. Men for at forstå, hvorfor din telefon skal oplades mere nu, end den gjorde, da du først fik den, skal du vide lidt om, hvordan et batteri fungerer. Bare rolig, vi vil holde os med det grundlæggende her.
Elektricitet, som enhver form for energi, er ikke en ting, du kan oprette. Alle de ting, vi tænker på, som at "fremstille" elektricitet konverterer egentlig kun en form for energi til en anden, og et batteri bruger en kemisk reaktion (energi) til at opbygge en elektrisk ladning, der kan udmåles over tid. Forskellige materialer kan bruges til at opbygge denne ladning, og de vil give forskellige resultater. I vores telefoner bruger vi lithium-baserede batterier, fordi de leverer et anstændigt outputniveau til en rimelig pris.
Et estimeret levetid for et telefonbatteri er netop det - et skøn.
Inde i et telefonbatteri finder du tre komponenter, der er vigtige for det, vi taler om: en negativ elektrode (kaldet en anode og typisk lavet af grafit), en positiv elektrode (kaldet en katode og lavet af en blanding af lithium og andre metaller) og en elektrolytopløsning. Kemien mellem disse tre ting er enkel ved dens basis, og derfor kan de bruges til at lagre energi. Når du anvender en opladning til elektroderne (fra din oplader), er litiumioner positivt opladet og tiltrækkes af den negative elektrode. Når du trækker en opladning væk fra batteriet, mister disse litiumioner deres positive opladning og tiltrækkes ikke længere af den negative elektrode. Jo længere du trækker den lagrede energi væk fra et opladet batteri, øges antallet af lithiumioner, der ikke længere oplades, indtil der bare ikke er nok af dem tilbage til at producere noget output, og batteriet er dødt. At sætte det i en oplader nulstiller denne cyklus.
"Cyklus" er et vigtigt ord her. Da batterier er designet til at opbevare en opladning, er det vanskeligt at måle deres brugbare levetid som en tidsenhed. Et batteri, der varer to år for dig, kan kun vare seks måneder for en anden, fordi det bruges anderledes. Så vi kan få et skøn over, hvor længe vi forventer, at de varer, måles batteriets levetid ved opladningscyklusser. Et telefonbatteri er typisk designet til at vare omkring 500 til 600 cyklusser, og en cyklus defineres som at oplade et helt dødt batteri til 100% og derefter tømme det til nul igen. Det er en delvis cyklus at oplade et batteri, der har 50% opladning tilbage, og derefter tømme det tilbage til 50%, hvilket er grunden til, at du hører folk fortælle dig at oplade dit batteri, før det bliver lavt, og også høre folk fortælle dig det modsatte som måder at spille systemet på og afværge den 500. cyklus. Naturligvis fungerer det ikke på den måde, fordi batteriet faktisk ikke tæller antallet af opladningscyklusser. Fem hundrede er kun et skøn.
Men levetiden kan måles i cyklusser på grund af hvad der sker, når du oplader et batteri, og hvordan det påvirker fremtidige opladningscyklusser, mængden af energi, der kan gemmes, og potentialet (tænk på antallet af volt) for den lagrede opladning.
Oxidation og effektivitet hader hinanden
Fordi elektriske køretøjer er en rigtig ting, og batterierne, de bruger, er sindssyge dyre, er der blevet foretaget masser af undersøgelser af, hvorfor lithium-ion-batterier nedbrydes i løbet af deres levetid. Heldigvis gælder dette også for de mindre dyre (men stadig dyre!) Batterier inde i vores telefoner, og det er på grund af kemiske ændringer, der sker under opladning af batterierne.
Vi ved, at opladning af et batteri oplader positivt lithiumioner, som derefter magnetisk (elektricitet er magnetisme) tiltrukket af den negative elektrode. Når flere og flere ladede ioner tiltrækkes, øges forskellen i potentiale mellem den negative elektrode og den positive elektrode. Sådan måler du spænding - forskellen mellem potentiel energi mellem to elektroder. Når det når en bestemt aflæsning, betragtes batteriet som fuldt opladet. Det modsatte er tilfældet, mens der tømmes et batteri, og potentialforskellen mindskes, indtil det når nul, fordi der ikke er mere positivt ladede ioner til stede på den negative elektrode. Men det betyder ikke, at den negative elektrode er ren og nøjagtig den samme, som den var, før du startede.
Elektroder oxiderer. På samme måde som vand og luft kan forårsage, at jern rustner (det er, hvor ordet oxidation kommer fra), lithium, grafit og elektrolyt-salte får en elektrode til at oxidere. Når hver positivt ladet ion strippes væk fra anoden i et batteri, efterlades et mikroskopisk lag af partikler og er blevet kemisk bundet til grafitanoden. Disse partikler er fremstillet af lithiumoxid (lithium bundet med ilt) atomer og lithiumcarbonat (lithium bundet med carbon) atomer, som hverken har de samme kemiske eller elektriske egenskaber som grafit. Dette lag forstyrrer ladnings- / udladningscyklussen og både forskellen i potentiale (spænding) og antallet af ladede ioner, der kan tiltrækkes ændringer. Til sidst er ændringerne nok til at bemærke. Hvis du fortsætter med at bruge batteriet og oplade det, som du normalt ville, når du det punkt, hvor der ikke er nok elektrisk energi, der gemmes til at drive din telefon.
Opladning af et batteri ændrer i det væsentlige elektrodesammensætningen og påvirker den måde, det oplades i fremtiden.
Forskellige typer lithiumsammensætninger såvel som forskellige salte, der anvendes i elektrolytopløsningen, har en indflydelse på hvor meget af disse aflejringer der er tilbage på elektroden. Men de materialer, der skaber en renere cyklus, er ikke nødvendigvis de bedste, fordi de ikke kan levere så meget lagret strøm. Vi ønsker høje kapacitet, lave strømbatterier i vores telefoner, fordi de er sikrere end høje strømbatterier (og koster mindre), og vi ønsker, at de skal levere strøm til vores telefon, så længe de kan. Et elektrisk køretøj kan bruge højkapacitetsbatterier, fordi de er beskyttet af en solid ramme og ikke er så sandsynlige at blive beskadiget. De er nødvendige, fordi en bil skal være i stand til at gå lange afstande mellem ladningerne. Men prisen for et erstatningsbatteri til en Tesla Model S er også $ 12.000. En del af denne pris kommer fra de dyre materialer, der bruges til at opbygge et lithium-nikkel-kobolt-aluminiumoxidbatteri i modsætning til de grundlæggende lithium-cobalt-batterier, der bruges i en telefon, der ikke holder næsten lige så mange cykler, før de nedbrydes.
Spænding betyder noget
En af de største faktorer, der kan påvirke, hvor mange cyklusser et lithium-ion-batteri vil vare, er dens spænding. Telefoner og biler er ikke de eneste ting, der er designet til at køre på genopladelige lithiumbatterier, og i 2015 brugte det amerikanske energiministerium en masse penge og tid på at se nøjagtigt, hvad der skaber problemer, og hvordan man kan afbøde dem, fordi satellitter bruger litiumbaserede batterier og solopladere. Undersøgelser fandt, at efter sammensætningen af selve batteriet, er den næste største skyldige, der kan påvirke batteriets levetid, ladespændingen og spændingen på den holdte ladning.
Kemien, der får et lithiumbatteri til at fungere, forringer naturligvis anoden, og det er det, vi talte om ovenfor. Men hvis du oplader et batteri med mere end 3, 9 volt, eller opbevarer en opladning med en potentialforskel, der er højere end 3, 9 volt, sker der samme slags nedbrydning med katoden (positiv elektrode). Dette skærer i det væsentlige et batteris levetid til halvdelen. Opladningsspænding og fastholdt spænding er i det væsentlige den samme ting, fordi du spænder alle komponenter i et batteri, men opladning introducerer også varme, og jo højere ladespænding jo varmere det vil være. Varme, der tilføres, når et batteri ophidses højere end 3, 9 volt, forværrer katodens nedbrydning yderligere.
Der er ingen hemmelig kabal for batteriproducenter, der prøver at fleece os; det hele kemi.
Med andre ord betyder de spændinger, der er nødvendige for at drive en moderne telefon og hurtigt oplade dets batteri, det er næsten umuligt at "fikse" ting. Enhver med et batteridrevet bor har set dette i aktion. De 12 eller 14-volt batterier, der bruges i et værktøj, holder ikke næsten lige så mange cykler som dem, der er på vores telefoner. De opbevarer og arbejder ved en højere spænding, oplades ved en højere spænding og meget varmere og kan påvirkes mærkbart efter blot et par opladningscyklusser. De bruger de samme basale lithium-baserede batterier som en telefon, fordi brug af de slags materialer, vi ser i et Tesla S-batteri, ville gøre dem dyrere, og de har bare ikke meget lang levetid. Gudskelov, vi kan genbruge de fleste af materialerne i dem, og vi drukner ikke i et hav af kasserede Makita- og Porter-kabel-batterier, hvor litium er dyrere end guld.
Den gode nyhed er, at alle virksomheder, der fremstiller litiumbatterier, arbejder på at forbedre tingene. Den, der kan komme med det første batteri, der varer betydeligt længere, vil tjene en masse penge på det. Alt, hvad vi kan gøre, er at oplade vores telefoner, når de skal oplades, og vide, at der ikke er nogen sammensværgelse mellem batteriproducenter for at få os til at købe nye produkter oftere.
Disse Android-telefoner har den bedste batterilevetid
