Inhoudsopgave:
Ik weet zeker dat je hebt gemerkt dat je een merkbaar verschil ziet in hoe goed een batterij van een telefoon na ongeveer een jaar opgeladen is. Als u een telefoon lang genoeg houdt, is de batterij mogelijk niet voldoende opgeladen om de hele dag te overleven. Heb je je ooit afgevraagd waarom?
Batterijen: hoe werken ze?
Elektriciteit is niet magisch. In feite is het voor de meesten van ons een behoorlijk saai onderwerp en we willen alleen dat het er is als we het nodig hebben. Maar om te begrijpen waarom uw telefoon nu meer moet worden opgeladen dan toen u hem voor het eerst kreeg, moet u een beetje weten hoe een batterij werkt. Maak je geen zorgen, we blijven hier bij de basis.
Elektriciteit, zoals elke vorm van energie, is niet iets dat je kunt creëren. Alle dingen waarvan we denken dat ze "elektriciteit maken" zijn eigenlijk alleen de ene vorm van energie omzetten in een andere, en een batterij gebruikt een chemische reactie (energie) om een elektrische lading op te bouwen die na verloop van tijd kan worden gemeten. Verschillende materialen kunnen worden gebruikt om deze lading op te bouwen en ze zullen verschillende resultaten produceren. In onze telefoons gebruiken we lithiumbatterijen omdat deze een redelijk uitgangsniveau bieden voor een redelijke prijs.
De geschatte levensduur van een batterij van een telefoon is precies dat - een schatting.
In de batterij van een telefoon vindt u drie componenten die belangrijk zijn voor waar we het over hebben: een negatieve elektrode (een anode genoemd en meestal gemaakt van grafiet), een positieve elektrode (een kathode genoemd en gemaakt van een mix van lithium en andere metalen) en een elektrolytoplossing. De chemie tussen deze drie dingen is eenvoudig aan de basis en daarom kunnen ze worden gebruikt om energie op te slaan. Wanneer u de elektroden oplaadt (vanuit uw lader), worden lithiumionen positief geladen en aangetrokken door de negatieve elektrode. Wanneer u een lading van de batterij verwijdert, verliezen deze lithiumionen hun positieve lading en worden ze niet langer aangetrokken door de negatieve elektrode. Hoe langer je de opgeslagen energie weghaalt van een opgeladen batterij, het aantal lithiumionen dat niet meer wordt opgeladen neemt toe totdat er gewoon niet genoeg meer over zijn om output te produceren en de batterij leeg is. Het aansluiten op een lader reset deze cyclus.
"Cyclus" is hier een belangrijk woord. Omdat batterijen zijn ontworpen om lading op te slaan, is het moeilijk om hun bruikbare levensduur als tijdseenheid te meten. Een batterij die twee jaar meegaat, gaat misschien slechts zes maanden mee voor iemand anders omdat deze anders wordt gebruikt. Zodat we een schatting kunnen maken van hoe lang we verwachten dat ze meegaan, wordt de levensduur van de batterij gemeten door laadcycli. Een telefoonbatterij is meestal ontworpen om ongeveer 500 tot 600 cycli mee te gaan, en een cyclus wordt gedefinieerd als het opladen van een volledig lege batterij tot 100% en deze vervolgens weer tot nul leegmaken. Een batterij opladen die nog voor 50% is opgeladen, en deze vervolgens weer tot 50% laten leeglopen, is een gedeeltelijke cyclus.Daarom zult u mensen horen vertellen dat u uw batterij moet opladen voordat deze leeg raakt en ook mensen die u het tegenovergestelde vertellen als manieren om het systeem te bespelen en die 500e cyclus af te wenden. Natuurlijk werkt het niet op die manier omdat de batterij het aantal laadcycli niet meetelt. Vijfhonderd is slechts een schatting.
Maar de levensduur kan in cycli worden gemeten vanwege wat er gebeurt als je een batterij oplaadt en hoe dit de toekomstige laadcycli beïnvloedt, de hoeveelheid energie die kan worden opgeslagen en het potentieel (denk aan het aantal volt) van de opgeslagen lading.
Oxidatie en efficiëntie haten elkaar
Omdat elektrische voertuigen echt zijn en de batterijen die ze gebruiken, waanzinnig duur zijn, is er veel onderzoek gedaan naar de reden waarom lithium-ionbatterijen tijdens hun levensduur achteruitgaan. Gelukkig geldt dit ook voor de minder dure (maar nog steeds dure!) Batterijen in onze telefoons, en dit komt door chemische veranderingen die optreden tijdens het opladen van de batterijen.
We weten dat het opladen van een batterij lithiumionen positief oplaadt die vervolgens magnetisch (elektriciteit is magnetisme) worden aangetrokken door de negatieve elektrode. Naarmate meer en meer geladen ionen worden aangetrokken, neemt het potentiaalverschil tussen de negatieve elektrode en de positieve elektrode toe. Zo meet je spanning - het verschil in potentiële energie tussen twee elektroden. Zodra het een specifieke waarde bereikt, wordt de batterij als volledig opgeladen beschouwd. Het tegenovergestelde is waar tijdens het ontladen van een batterij en het potentiaalverschil neemt af totdat deze nul bereikt, omdat er geen positief geladen ionen meer aanwezig zijn op de negatieve elektrode. Maar dat betekent niet dat de negatieve elektrode schoon is en precies hetzelfde is als voordat hij begon.
Elektroden oxideren. Op dezelfde manier als water en lucht ijzer kunnen doen roesten (waar het woord oxidatie vandaan komt), zullen lithium-, grafiet- en elektrolytzouten ervoor zorgen dat een elektrode oxideert. Wanneer elk positief geladen ion in een batterij van de anode wordt gestript, blijft een microscopische laag deeltjes achter en is chemisch gebonden aan de grafietanode. Deze deeltjes zijn gemaakt van lithiumoxide (lithium gebonden met zuurstof) atomen en lithiumcarbonaat (lithium gebonden met koolstof) atomen, die geen van beide dezelfde chemische of elektrische eigenschappen hebben als grafiet. Deze laag interfereert met de laad / ontlaadcyclus en zowel het potentiaalverschil (spanning) als het aantal geladen ionen dat kan worden aangetrokken verandert. Uiteindelijk zijn de veranderingen voldoende om op te merken. Als u de batterij blijft gebruiken en op de normale manier oplaadt, bereikt u het punt waar er onvoldoende elektrische energie wordt opgeslagen om uw telefoon van stroom te voorzien.
Het opladen van een batterij verandert in wezen de samenstelling van de elektroden en beïnvloedt de manier waarop deze in de toekomst wordt opgeladen.
Verschillende soorten lithiumsamenstellingen, evenals verschillende zouten die in de elektrolytoplossing worden gebruikt, hebben een effect op hoeveel van deze afzettingen op de elektrode achterblijven. Maar de materialen die zorgen voor een schonere cyclus zijn niet noodzakelijk de beste omdat ze niet zoveel opgeslagen energie kunnen leveren. We willen batterijen met een hoge capaciteit en een laag vermogen in onze telefoons omdat ze veiliger zijn dan batterijen met een hoog vermogen (en minder kosten) en we willen dat ze onze telefoon zo lang mogelijk van stroom voorzien. Een elektrisch voertuig kan batterijen met een hoge capaciteit en een hoog vermogen gebruiken, omdat deze worden beschermd door een solide frame en niet zo waarschijnlijk worden beschadigd. Ze zijn nodig omdat een auto lange afstanden tussen ladingen moet kunnen afleggen. Maar de kosten van een vervangende batterij voor een Tesla Model S zijn ook $ 12.000. Een deel van die kosten komt van de dure materialen die worden gebruikt om een lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide-batterij te bouwen, in tegenstelling tot de standaard lithium-kobalt-batterijen die in een telefoon worden gebruikt en die lang niet zo veel cycli duren voordat ze verslechteren.
Spanning is belangrijk
Een van de grootste factoren die van invloed kan zijn op hoeveel cycli een lithium-ionbatterij meegaat, is de spanning. Telefoons en auto's zijn niet de enige dingen die zijn ontworpen om op oplaadbare lithiumbatterijen te werken, en in 2015 besteedde het Amerikaanse ministerie van Energie veel geld en tijd om precies te kijken wat de oorzaak is van problemen en hoe deze te verminderen, omdat satellieten op lithium gebaseerde batterijen gebruiken en zonneladers. Studies hebben aangetoond dat na de samenstelling van de batterij zelf, de volgende grootste boosdoener die de levensduur van de batterij kan beïnvloeden, de laadspanning en de spanning van de opgeladen lading is.
De chemie die ervoor zorgt dat een lithiumbatterij werkt, verslechtert natuurlijk de anode, en dat is waar we het hierboven over hadden. Maar als u een batterij oplaadt met meer dan 3, 9 volt, of een lading opslaat met een potentiaalverschil van meer dan 3, 9 volt, gebeurt hetzelfde soort degradatie met de kathode (positieve elektrode). Hierdoor wordt de levensduur van een batterij in feite gehalveerd. Laadspanning en houdspanning zijn in wezen hetzelfde omdat u alle componenten van een batterij opwindt, maar tijdens het laden wordt ook warmte geïntroduceerd, en hoe hoger de laadspanning, hoe heter het wordt. Warmte die wordt toegepast wanneer een batterij meer dan 3, 9 volt wordt geëxciteerd, verslechtert verder de degradatie van de kathode.
Er is geen geheime kliek van batterijproducenten die ons proberen te fleuren; het is allemaal chemie.
Met andere woorden, de spanningen die nodig zijn om een moderne telefoon van stroom te voorzien en de batterij snel op te laden, maken het bijna onmogelijk om dingen te 'repareren'. Iedereen met een boormachine op batterijen heeft dit in actie gezien. De 12 of 14-volt batterijen die in een tool worden gebruikt, gaan lang niet zo lang mee als in onze telefoons. Ze slaan op en werken op een hogere spanning, laden op met een hogere spanning en veel heter, en kunnen merkbaar worden beïnvloed na slechts een paar laadcycli. Ze gebruiken dezelfde basische lithiumbatterijen als een telefoon, omdat het gebruik van de soorten materialen die we in een Tesla S-batterij zien, ze duurder zou maken en ze hebben gewoon geen erg lange levensduur. Godzijdank kunnen we de meeste materialen erin recyclen en verdrinken we niet in een zee van afgedankte Makita- en Porter-Cable-batterijen waarbij lithium duurder is dan goud.
Het goede nieuws is dat alle bedrijven die lithiumbatterijen maken, bezig zijn dingen te verbeteren. Wie met de eerste batterij kan komen die aanzienlijk langer meegaat, zal er veel geld mee verdienen. Het enige dat we kunnen doen, is onze telefoons opladen wanneer ze moeten worden opgeladen, en weten dat er geen enkele samenzwering is tussen batterijfabrikanten om ons vaker nieuwe producten te laten kopen.
Deze Android-telefoons hebben de beste batterijduur
