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Sono sicuro che hai notato che vedi una notevole differenza nel modo in cui una batteria del telefono mantiene una carica dopo circa un anno. Se tieni il telefono abbastanza a lungo, la sua batteria potrebbe non avere abbastanza carica per sopravvivere per un'intera giornata. ti sei mai chiesto perché?
Batterie: come funzionano?
L'elettricità non è magica. In effetti, è un argomento piuttosto noioso per la maggior parte di noi e vogliamo che sia lì solo quando dobbiamo usarlo. Ma per capire perché ora il tuo telefono ha bisogno di essere caricato più di quanto abbia fatto quando lo hai ricevuto per la prima volta, devi sapere un po 'su come funziona una batteria. Non preoccuparti, seguiremo le basi qui.
L'elettricità, come qualsiasi tipo di energia, non è una cosa che puoi creare. Tutte le cose che pensiamo come "produzione" di elettricità stanno davvero convertendo solo una forma di energia in un'altra, e una batteria utilizza una reazione chimica (energia) per costruire una carica elettrica che può essere misurata nel tempo. Diversi materiali possono essere utilizzati per costruire questa carica e produrranno risultati diversi. Nei nostri telefoni utilizziamo batterie a base di litio perché forniscono un discreto livello di uscita a un costo ragionevole.
La durata stimata di una batteria del telefono è proprio questo: una stima.
All'interno di una batteria del telefono, troverai tre componenti importanti per ciò di cui stiamo parlando: un elettrodo negativo (chiamato anodo e tipicamente fatto di grafite), un elettrodo positivo (chiamato catodo e composto da una miscela di litio e altri metalli) e una soluzione elettrolitica. La chimica tra queste tre cose è semplice alla base ed è il motivo per cui possono essere utilizzate per immagazzinare energia. Quando si applica una carica agli elettrodi (dal caricatore) gli ioni di litio vengono caricati positivamente e attratti dall'elettrodo negativo. Quando si allontana una carica dalla batteria, questi ioni di litio perdono la carica positiva e non sono più attratti dall'elettrodo negativo. Più a lungo si allontana l'energia immagazzinata da una batteria carica, il numero di ioni di litio che non sono più caricati aumenta fino a quando non ne rimangono più abbastanza per produrre energia e la batteria è scarica. Collegandolo a un caricabatterie si ripristina questo ciclo.
"Ciclo" è una parola importante qui. Poiché le batterie sono progettate per conservare una carica, è difficile misurare la loro vita utile come unità di tempo. Una batteria che dura due anni per te può durare solo sei mesi per qualcun altro perché viene utilizzata in modo diverso. Affinché possiamo avere una stima di quanto ci aspettiamo che durino, la durata della batteria viene misurata mediante cicli di ricarica. Una batteria del telefono è in genere progettata per durare dai 500 ai 600 cicli e un ciclo è definito come caricare una batteria completamente scarica al 100%, quindi scaricarla di nuovo a zero. Caricare una batteria che ha il 50% di carica rimanente, quindi scaricarla di nuovo al 50% è un ciclo parziale, motivo per cui sentirai persone che ti dicono di caricare la batteria prima che si scarichi e anche persone che ti dicono il contrario come modi per giocare il sistema e evitare quel 500 ° ciclo. Ovviamente, non funziona in questo modo perché la batteria in realtà non conta il numero di cicli di ricarica. Cinquecento è solo una stima.
Ma la longevità può essere misurata in cicli a causa di ciò che accade quando si carica una batteria e di come influenza i cicli di carica futuri, la quantità di energia che può essere immagazzinata e il potenziale (si pensi al numero di volt) della carica immagazzinata.
L'ossidazione e l'efficienza si odiano a vicenda
Poiché i veicoli elettrici sono una cosa reale e le batterie che usano sono follemente costose, sono stati fatti molti studi sul perché le batterie agli ioni di litio si degradano durante la loro vita. Per fortuna, questo vale anche per le batterie meno costose (ma comunque costose!) All'interno dei nostri telefoni, ed è a causa dei cambiamenti chimici che si verificano durante la ricarica delle batterie.
Sappiamo che caricare una batteria carica positivamente ioni di litio che vengono quindi attratti magneticamente (l'elettricità è magnetismo) dall'elettrodo negativo. Man mano che vengono attratti sempre più ioni carichi, la differenza di potenziale tra l'elettrodo negativo e l'elettrodo positivo aumenta. Ecco come misurare la tensione: la differenza di energia potenziale tra due elettrodi. Una volta raggiunta una lettura specifica, la batteria viene considerata completamente carica. È vero il contrario quando si scarica una batteria e la differenza di potenziale diminuisce fino a raggiungere lo zero perché non sono presenti più ioni caricati positivamente sull'elettrodo negativo. Ciò non significa che l'elettrodo negativo sia pulito ed esattamente uguale a prima di iniziare.
Gli elettrodi si ossidano. Allo stesso modo l'acqua e l'aria possono causare la ruggine del ferro (da cui deriva la parola ossidazione), i sali di litio, grafite ed elettrolita causano l'ossidazione di un elettrodo. Quando ogni ione caricato positivamente viene rimosso dall'anodo in una batteria, uno strato microscopico di particelle viene lasciato indietro ed è stato legato chimicamente all'anodo di grafite. Queste particelle sono costituite da atomi di ossido di litio (legati con ossigeno) e litio carbonato (legati con carbonio), nessuno dei quali ha le stesse proprietà chimiche o elettriche della grafite. Questo strato interferisce con il ciclo di carica / scarica e cambiano sia la differenza di potenziale (tensione) sia il numero di ioni carichi che possono essere attratti. Alla fine, le modifiche sono sufficienti per notare. Se si continua a utilizzare la batteria e la si carica come si farebbe normalmente, si raggiunge il punto in cui non è immagazzinata energia elettrica sufficiente per alimentare il telefono.
La ricarica di una batteria modifica sostanzialmente la composizione degli elettrodi e influisce sul modo in cui verrà caricata in futuro.
Diversi tipi di composizioni di litio, nonché diversi sali utilizzati nella soluzione elettrolitica, hanno un effetto su quanti di questi depositi sono lasciati indietro sull'elettrodo. Ma i materiali che contribuiscono a un ciclo più pulito non sono necessariamente i migliori perché non possono fornire la stessa quantità di energia immagazzinata. Vogliamo batterie ad alta capacità e bassa potenza nei nostri telefoni perché sono più sicure delle batterie ad alta potenza (e costano meno) e vogliamo che forniscano energia al nostro telefono il più a lungo possibile. Un veicolo elettrico può utilizzare batterie ad alta capacità e alta potenza perché sono protette da un telaio solido e non hanno la probabilità di essere danneggiate. Sono necessari perché un'auto deve essere in grado di percorrere lunghe distanze tra le cariche. Ma il costo di una batteria sostitutiva per una Tesla Model S è anche di $ 12.000. Parte di quel costo deriva dai costosi materiali utilizzati per costruire una batteria al litio-nichel-cobalto-alluminio-ossido rispetto alle batterie al litio-cobalto di base utilizzate in un telefono che non durano quasi tutti i cicli prima che si degradino.
La tensione conta
Uno dei maggiori fattori che possono influenzare quanti cicli durerà una batteria agli ioni di litio è la sua tensione. Telefoni e automobili non sono le uniche cose progettate per funzionare con batterie al litio ricaricabili e nel 2015 il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha speso molti soldi e tempo per vedere esattamente quali sono i problemi e come risolverli perché i satelliti usano batterie al litio e caricabatterie solari. Gli studi hanno scoperto che dopo la composizione della batteria stessa, il prossimo maggiore colpevole che può influire sulla longevità della batteria è la tensione di carica e la tensione della carica trattenuta.
La chimica che fa funzionare una batteria al litio degrada naturalmente l'anodo, ed è quello di cui abbiamo parlato sopra. Ma se si carica una batteria con più di 3, 9 volt o si conserva una carica con una differenza di potenziale superiore a 3, 9 volt, si verifica lo stesso tipo di degradazione del catodo (elettrodo positivo). Questo essenzialmente riduce della metà la durata di una batteria. La tensione di carica e la tensione di mantenimento sono essenzialmente la stessa cosa perché si eccitano tutti i componenti di una batteria, ma la carica introduce anche calore e maggiore è la tensione di carica più calda sarà. Il calore applicato quando una batteria viene eccitata a più di 3, 9 volt peggiora ulteriormente il degrado del catodo.
Non esiste una cabala segreta di produttori di batterie che stanno cercando di farci passare; è tutto chimica.
In altre parole, le tensioni necessarie per alimentare un telefono moderno e caricare rapidamente la sua batteria significano che è quasi impossibile "riparare" le cose. Chiunque abbia un trapano a batteria ha visto questo in azione. Le batterie da 12 o 14 volt utilizzate in uno strumento non durano quasi tutti i cicli di quelle dei nostri telefoni. Conservano e funzionano a una tensione più elevata, si caricano a una tensione più elevata e molto più calda e possono essere notevolmente influenzati dopo pochi cicli di ricarica. Usano le stesse batterie base a base di litio di un telefono perché l'uso del tipo di materiali che vediamo in una batteria Tesla S li renderebbe più costosi e non hanno una durata molto lunga. Per fortuna possiamo riciclare la maggior parte dei materiali in essi contenuti e non stiamo affogando in un mare di batterie Makita e Porter-Cable scartate con il litio più costoso dell'oro.
La buona notizia è che tutte le aziende che producono batterie al litio stanno lavorando per migliorare le cose. Chiunque può inventare la prima batteria che dura significativamente più a lungo ne farà molti soldi. Tutto ciò che possiamo fare è caricare i nostri telefoni quando devono essere caricati e sapere che non c'è alcuna cospirazione tra i produttori di batterie per convincerci ad acquistare nuovi prodotti più spesso.
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