Innehållsförteckning:
Jag är säker på att du har lagt märke till att du ser en märkbar skillnad i hur väl ett telefonbatteri har en laddning efter ett år eller så. Om du håller en telefon tillräckligt länge kanske batteriet 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 vara där när vi behöver använda det. Men för att förstå varför din telefon behöver laddas mer nu än när du först fick den måste du veta lite om hur ett batteri fungerar. Oroa dig inte, vi kommer att hålla oss till grunderna här.
Elektricitet, som alla typer av energi, är inte en sak du kan skapa. Alla saker vi tänker på att "skapa" elektricitet konverterar egentligen bara en form av energi till en annan, och ett batteri använder en kemisk reaktion (energi) för att bygga en elektrisk laddning som kan mätas ut över tiden. Olika material kan användas för att bygga denna laddning och de ger olika resultat. I våra telefoner använder vi litiumbaserade batterier eftersom de ger en anständig utgångsnivå till en rimlig kostnad.
Det uppskattade livslängden för ett telefonbatteri är precis det - en uppskattning.
Inuti ett telefonbatteri hittar du tre komponenter som är viktiga för vad vi pratar om: en negativ elektrod (kallas en anod och vanligtvis gjord av grafit), en positiv elektrod (kallad en katod och tillverkad av en blandning av litium och andra metaller) och en elektrolytlösning. Kemin mellan dessa tre saker är enkel i dess bas och därför kan de användas för att lagra energi. När du applicerar en laddning på elektroderna (från din laddare) är litiumjoner positivt laddade och lockas till den negativa elektroden. När du drar bort en laddning från batteriet tappar dessa litiumjoner sin positiva laddning och dras inte längre till den negativa elektroden. Ju längre du drar den lagrade energin bort från ett laddat batteri, antalet litiumjoner som inte längre laddas ökar tills det bara inte finns tillräckligt med dem kvar för att producera någon utgång och batteriet är dött. Att ansluta den till en laddare återställer denna cykel.
"Cykel" är ett viktigt ord här. Eftersom batterier är utformade för att lagra en laddning är det svårt att mäta deras användbara livslängd som en tidsenhet. Ett batteri som varar i två år för dig kan bara vara sex månader för någon annan eftersom det används annorlunda. Så att vi kan ha en uppskattning av hur lång tid de förväntar sig att de ska hålla, mäts batteriets livslängd med laddningscykler. Ett telefonbatteri är vanligtvis utformat för att hålla cirka 500 till 600 cykler, och en cykel definieras som att ladda ett helt dött 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, varför du kommer att höra folk säga att du laddar ditt batteri innan det blir lågt och också höra människor berätta det motsatta som sätt att spela systemet och avvärja den 500: e cykeln. Naturligtvis fungerar det inte så eftersom batteriet faktiskt inte räknar antalet laddningscykler. Fem hundra är bara en uppskattning.
Men livslängden kan mätas i cykler på grund av vad som händer när du laddar ett batteri och hur det påverkar framtida laddningscykler, mängden energi som kan lagras och potentialen (tror antalet volt) för den lagrade laddningen.
Oxidation och effektivitet hatar varandra
Eftersom elektriska fordon är en riktig sak och batterierna som de använder är vansinnigt dyra, har många studier gjorts om varför litiumjonbatterier förstörs under deras livstid. Tack och lov gäller detta också för de billigare (men ändå dyra!) Batterierna i våra telefoner, och det är på grund av kemiska förändringar som sker under laddning av batterierna.
Vi vet att laddning av ett batteri laddar positivt litiumjoner som sedan magnetiskt (elektricitet är magnetism) lockas till den negativa elektroden. När allt fler laddade joner attraheras ökar potentialskillnaden mellan den negativa elektroden och den positiva elektroden. 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 man laddar ur ett batteri och potentialskillnaden minskar tills det når noll eftersom inga mer positivt laddade joner finns på 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 orsaka järn att rostas (det är där ordet oxidation kommer från), litium, grafit och elektrolyt salter kommer att få en elektrod att oxidera. När varje positivt laddad jon strippas bort från anoden i ett batteri lämnas ett mikroskopiskt skikt av partiklar kvar och har bindits kemiskt till grafitanoden. Dessa partiklar är tillverkade av litiumoxidatomer (litium bundet med syre) -atomer och litiumkarbonatatomer (litium bundet med kol), varav ingen har samma kemiska eller elektriska egenskaper som grafit. Detta lager stör störnings- / urladdningscykeln och både skillnaden mellan potential (spänning) och antalet laddade joner som kan lockas till förändringar. Så småningom räcker ändringarna för att märka. Om du fortsätter att använda batteriet och laddar det som normalt, når du den punkten där det inte finns tillräckligt med elektrisk energi lagrad för att driva din telefon.
Att ladda ett batteri förändrar väsentligen elektrodernas sammansättning och påverkar hur det kommer att laddas i framtiden.
Olika typer av litiumkompositioner, såväl som olika salter som används i elektrolytlösningen, påverkar hur mycket av dessa avlagringar som finns kvar på elektroden. Men materialen som gör en renare cykel är inte nödvändigtvis de bästa eftersom de inte kan ge så mycket lagrad kraft. Vi vill ha batterier med hög kapacitet, låg effekt i våra telefoner eftersom de är säkrare än högströmsbatterier (och kostar mindre) och vi vill att de ska leverera ström till vår telefon så länge de kan. Ett elektriskt fordon kan använda högkapacitetsbatterier med hög effekt eftersom de är skyddade av en solid ram och inte är lika troliga att skadas. De är nödvändiga eftersom en bil måste kunna gå långa avstånd mellan laddningarna. Men kostnaden för ett ersättningsbatteri för en Tesla Model S är också 12 000 dollar. En del av den kostnaden kommer från de dyra materialen som används för att bygga ett litium-nickel-kobolt-aluminiumoxidbatteri i motsats till de grundläggande litium-koboltbatterierna som används i en telefon som inte håller nästan lika många cykler innan de försämras.
Spänningen är viktig
En av de största faktorerna som kan påverka hur många cykler ett litiumjonbatteri kommer att pågå är dess spänning. Telefoner och bilar är inte de enda saker som är utformade för att köra på laddningsbara litiumbatterier, och 2015 spenderade det amerikanska energidepartementet mycket pengar och tid för att se exakt vad som orsakar problem och hur man kan mildra dem eftersom satelliter använder litiumbaserade batterier och sol laddare. Studier fann att efter batteriets sammansättning, den näst största syndaren som kan påverka batteriets livslängd är laddningsspänningen och spänningen på den hållna laddningen.
Kemin som gör att ett litiumbatteri fungerar försämrar anoden naturligt, och det är vad vi talade om ovan. Men om du laddar ett batteri med mer än 3, 9 volt, eller lagrar en laddning med en potentialskillnad högre än 3, 9 volt, händer samma typ av nedbrytning med katoden (positiv elektrod). Detta skär väsentligen livslängden för ett batteri i hälften. Laddningsspänning och spänning är väsentligen samma sak eftersom du spänner alla batterierna, men laddning introducerar också värme, och ju högre laddningsspänning desto varmare blir det. Värme som appliceras när ett batteri upphetsas högre än 3, 9 volt förvärrar katodens nedbrytning ytterligare.
Det finns ingen hemlig kabal av batteriproducenter som försöker fly oss; det är allt kemi.
Med andra ord, de spänningar som krävs för att driva en modern telefon och snabbt ladda batteriet innebär att det är nästan omöjligt att "fixa" saker. Alla med en batteridriven borr har sett detta i aktion. De 12 eller 14-volts batterierna som används i ett verktyg håller inte nästan lika många cykler som i våra telefoner. De lagrar och arbetar med högre spänning, laddar med högre spänning och mycket varmare och kan påverkas märkbart efter bara några laddningscykler. De använder samma grundläggande litiumbaserade batterier som en telefon för att använda de typer av material som vi ser i ett Tesla S-batteri skulle göra dem dyrare och de har bara inte så lång livslängd. Tack och lov, vi kan återvinna de flesta materialen i dem och vi drunknar inte i ett hav av kasserade Makita- och Porter-kabel-batterier med litium som är dyrare än guld.
Den goda nyheten är att alla företag som tillverkar litiumbatterier arbetar med att göra saker bättre. Den som kan komma med 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 vet att det inte finns någon konspiration mellan batteritillverkare för att få oss att köpa nya produkter oftare.
Dessa Android-telefoner har den bästa batteritiden
