Почему время автономной работы ухудшается со временем?

Я уверен, что вы заметили, что вы видите заметную разницу в том, насколько хорошо аккумулятор телефона держит заряд через год или около того. Если вы держите телефон достаточно долго, его батарея может даже не зарядиться, чтобы прожить целый день. Вы когда-нибудь задумывались, почему?

Аккумуляторы: как они работают?

Электричество не волшебно. На самом деле, это довольно скучный предмет для большинства из нас, и мы хотим, чтобы он был там только тогда, когда нам нужно его использовать. Но чтобы понять, почему ваш телефон нуждается в зарядке больше, чем когда вы его получили, вам нужно немного узнать о том, как работает аккумулятор. Не волнуйтесь, мы собираемся придерживаться основ здесь.

Электричество, как и любой вид энергии, - это не то, что вы можете создать. Все вещи, которые мы считаем «производящими» электричество, на самом деле превращают только одну форму энергии в другую, и батарея использует химическую реакцию (энергию) для создания электрического заряда, который может быть дозирован со временем. Различные материалы могут быть использованы для создания этого заряда, и они будут давать разные результаты. В наших телефонах мы используем литиевые батареи, потому что они обеспечивают достойный уровень производительности за разумную цену.

Предполагаемый срок службы аккумулятора телефона - это только оценка.

Внутри аккумулятора телефона вы найдете три компонента, которые важны для того, о чем мы говорим: отрицательный электрод (называемый анодом и обычно изготовленный из графита), положительный электрод (называемый катодом и изготовленный из смеси лития). и другие металлы) и раствор электролита. Химия между этими тремя вещами проста в своей основе, и именно поэтому они могут использоваться для накопления энергии. При подаче заряда на электроды (от зарядного устройства) ионы лития заряжаются положительно и притягиваются к отрицательному электроду. Когда вы вытягиваете заряд батареи, эти литиевые ионы теряют свой положительный заряд и больше не притягиваются к отрицательному электроду. Чем дольше вы извлекаете накопленную энергию из заряженной батареи, тем больше ионов лития, которые больше не заряжаются, увеличивается до тех пор, пока их просто не останется достаточно для получения какого-либо выхода, и батарея разрядится. Подключение его к зарядному устройству сбрасывает этот цикл.

«Цикл» является важным словом здесь. Поскольку батареи предназначены для хранения заряда, их единицу времени сложно измерить в течение срока их службы. Аккумулятор, который работает для вас два года, может для кого-то другого работать только шесть месяцев, потому что он используется по-другому. Чтобы мы могли оценить, как долго они будут длиться, долговечность батареи измеряется циклами зарядки. Аккумулятор телефона, как правило, рассчитан на 500-600 циклов, и цикл определяется как зарядка полностью разряженного аккумулятора до 100% с последующим его разряжением до нуля. Зарядка аккумулятора, на котором осталось 50% заряда, а затем разрядка до 50% - это частичный цикл, поэтому вы услышите, как люди говорят вам зарядить аккумулятор до того, как он разрядится, а также услышат, как люди говорят вам обратное. как способы игры системы и предотвратить этот 500-й цикл. Конечно, это не работает, потому что батарея фактически не считает количество циклов зарядки. Пятьсот - это только оценка.

Но долговечность можно измерять в циклах из-за того, что происходит, когда вы заряжаете аккумулятор, и как это влияет на будущие циклы зарядки, количество энергии, которое может быть сохранено, и потенциал (представьте количество вольт) накопленного заряда.

Окисление и эффективность ненавидят друг друга

Поскольку электромобили - это настоящая вещь, а используемые ими батареи безумно дороги, было проведено множество исследований о том, почему литий-ионные батареи разлагаются в течение срока их службы. К счастью, это также относится к менее дорогим (но все же дорогим!) Батареям в наших телефонах, и это из-за химических изменений, которые происходят во время зарядки батарей.

Мы знаем, что зарядка батареи положительно заряжает ионы лития, которые затем магнитно (электричество есть магнетизм) притягиваются к отрицательному электроду. По мере того как все больше заряженных ионов притягивается, разность потенциалов между отрицательным электродом и положительным электродом увеличивается. Вот как вы измеряете напряжение - разницу потенциальной энергии между двумя электродами. Как только он достигает определенного значения, батарея считается полностью заряженной. При разрядке батареи происходит обратное, и разность потенциалов уменьшается, пока не достигнет нуля, поскольку на отрицательном электроде больше нет положительно заряженных ионов. Но это не значит, что отрицательный электрод чистый и точно такой же, каким был до того, как вы начали.

Электроды окисляются. Точно так же, как вода и воздух могут вызывать ржавчину железа (отсюда и слово «окисление»), соли лития, графита и электролита вызывают окисление электрода. Когда каждый положительно заряженный ион отделяется от анода в батарее, микроскопический слой частиц остается позади и химически связывается с графитовым анодом. Эти частицы состоят из атомов оксида лития (лития, связанного с кислородом) и атомов карбоната лития (лития, связанного с углеродом), ни один из которых не обладает такими же химическими или электрическими свойствами, что и графит. Этот слой влияет на цикл зарядки / разрядки, и изменяется как разница потенциала (напряжения), так и количество заряженных ионов, которые могут быть привлечены. В конце концов, изменений достаточно, чтобы заметить. Если вы продолжите использовать аккумулятор и заряжать его, как обычно, вы достигнете точки, в которой недостаточно энергии, запасаемой для питания вашего телефона.

Зарядка аккумулятора существенно меняет состав электродов и влияет на то, как он будет заряжаться в будущем.

Различные типы литиевых композиций, а также различные соли, используемые в растворе электролита, влияют на то, сколько этих отложений осталось на электроде. Но материалы, которые способствуют более чистому циклу, не обязательно являются лучшими, потому что они не могут обеспечить столько накопленной энергии. Мы хотим, чтобы в наших телефонах были аккумуляторы большой емкости и малой мощности, потому что они безопаснее, чем аккумуляторы большой емкости (и стоят дешевле), и мы хотим, чтобы они обеспечивали питание нашего телефона как можно дольше. В электромобиле могут использоваться аккумуляторы большой емкости, поскольку они защищены прочной рамой и вряд ли будут повреждены. Они необходимы, потому что автомобиль должен уметь преодолевать большие расстояния. Но стоимость сменной батареи для Tesla Model S тоже составляет 12 000 долларов. Часть этой стоимости происходит из-за дорогих материалов, используемых для создания литий-никель-кобальтово-алюминиево-оксидной батареи, в отличие от основных литий-кобальтовых батарей, используемых в телефоне, которые работают не так много циклов, прежде чем они разлагаются.

Напряжение имеет значение

Одним из главных факторов, влияющих на количество циклов работы литий-ионной батареи, является ее напряжение. Телефоны и автомобили - не единственные устройства, предназначенные для работы на перезаряжаемых литиевых батареях, и в 2015 году Министерство энергетики США потратило много денег и времени, чтобы точно выяснить, что вызывает проблемы и как их устранить, поскольку на спутниках используются литиевые батареи. и солнечные зарядные устройства. Исследования показали, что после состава самой батареи следующим по величине виновником, который может повлиять на долговечность батареи, является зарядное напряжение и напряжение удерживаемого заряда.

Химия, которая заставляет работать литиевую батарею, естественно, ухудшает анод, и это то, о чем мы говорили выше. Но если вы заряжаете аккумулятор с напряжением более 3, 9 В или сохраняете заряд с разностью потенциалов более 3, 9 В, то же самое происходит с катодом (положительным электродом). Это существенно сокращает срок службы батареи в два раза. Зарядное напряжение и удерживаемое напряжение - это, по сути, одно и то же, потому что вы возбуждаете все компоненты батареи, но зарядка также приводит к нагреву, и чем выше напряжение зарядки, тем горячее оно будет. Нагрев, прикладываемый, когда батарея возбуждается выше 3, 9 В, дополнительно ухудшает разрушение катода.

Нет секретной клики производителей батарей, которые пытаются нас убить; это все химия.

Другими словами, напряжение, необходимое для питания современного телефона и быстрой зарядки аккумулятора, означает, что практически невозможно «починить» вещи. Любой, у кого есть аккумуляторная дрель, видел это в действии. Батареи 12 или 14 вольт, используемые в инструменте, работают не так часто, как в наших телефонах. Они хранятся и работают при более высоком напряжении, заряжаются при более высоком напряжении и намного более горячи, и могут быть заметно затронуты после всего лишь нескольких циклов зарядки. Они используют те же основные литиевые батареи, что и телефон, потому что использование материалов, которые мы видим в батарее Tesla S, сделало бы их более дорогими, и они просто не имеют очень длительного срока службы. Слава богу, мы можем перерабатывать большинство материалов в них, и мы не тонем в море выброшенных батарей Makita и Porter-Cable, а литий дороже золота.

Хорошей новостью является то, что все компании, производящие литиевые батареи, работают над улучшением ситуации. Кто бы ни смог создать первую батарею, которая прослужит значительно дольше, заработает на этом много денег. Все, что мы можем сделать, - это заряжать наши телефоны, когда они должны быть заряжены, и знать, что между производителями аккумуляторов нет никакого заговора, чтобы заставить нас покупать новые продукты чаще.

Эти телефоны Android имеют лучшее время автономной работы