لماذا تتفاقم عمر البطارية مع مرور الوقت؟

أنا متأكد من أنك لاحظت أنك ترى اختلافًا ملحوظًا في مدى تحمل بطارية الهاتف لشحن بعد عام أو نحو ذلك. إذا كنت تحتفظ بهاتف لفترة كافية ، فقد لا تحتوي بطاريته على ما يكفي من الشحن للبقاء طوال اليوم. هل تساءلت يوما لماذا؟

البطاريات: كيف تعمل؟

الكهرباء ليست سحرية. في الواقع ، إنه موضوع ممل للغاية بالنسبة لمعظمنا ، ونحن نريد فقط أن يكون هناك عندما نحتاج إلى استخدامه. لكن لكي تفهم سبب احتياج هاتفك للشحن الآن أكثر مما كان عليه عندما حصلت عليه لأول مرة ، عليك أن تعرف قليلاً عن كيفية عمل البطارية. لا تقلق ، سنلتزم بالأساسيات هنا.

الكهرباء ، مثلها مثل أي نوع من الطاقة ، ليست شيئًا يمكنك توليده. إن كل الأشياء التي نعتقد أنها "صنع" كهرباء تعمل فقط على تحويل شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر ، وتستخدم البطارية تفاعلًا كيميائيًا (طاقة) لبناء شحنة كهربائية يمكن قياسها بمرور الوقت. يمكن استخدام مواد مختلفة لإنشاء هذه التهمة وستنتج نتائج مختلفة. في هواتفنا ، نستخدم البطاريات القائمة على الليثيوم لأنها توفر مستوى جيدًا من الإنتاج بتكلفة معقولة.

العمر المقدر لبطارية الهاتف هو ذلك - تقدير.

داخل بطارية الهاتف ، ستجد ثلاثة مكونات مهمة لما نتحدث عنه: إلكترود سلبي (يسمى أنود ومصنوع عادة من الجرافيت) ، إلكترود إيجابي (يسمى الكاثود ومصنوع من مزيج من الليثيوم) وغيرها من المعادن) ، ومحلول بالكهرباء. الكيمياء بين هذه الأشياء الثلاثة بسيطة في قاعدتها ولهذا السبب يمكن استخدامها لتخزين الطاقة. عند تطبيق شحنة على الأقطاب الكهربائية (من الشاحن الخاص بك) يتم شحن أيونات الليثيوم بشكل إيجابي وتنجذب إلى القطب السالب. عندما تسحب شحنة بعيدًا عن البطارية ، تفقد أيونات الليثيوم شحنتها الإيجابية ولم تعد تنجذب إلى القطب السالب. كلما طالبت بسحب الطاقة المخزنة بعيدًا عن البطارية المشحونة ، يزداد عدد أيونات الليثيوم التي لم تعد مشحونة حتى لا يتبقى منها ما يكفي لإنتاج أي خرج وتكون البطارية ميتة. توصيله بالشاحن يعيد ضبط هذه الدورة.

"الدورة" هي كلمة مهمة هنا. نظرًا لأن البطاريات مصممة لتخزين الشحن ، فمن الصعب قياس عمرها القابل للاستخدام كوحدة زمنية. قد تستمر البطارية التي تدوم عامين لك لستة أشهر فقط لشخص آخر لأنه يتم استخدامها بشكل مختلف. حتى نتمكن من الحصول على تقدير للمدة التي يمكن توقعها لاستمرارها ، يتم قياس طول عمر البطارية بواسطة دورات الشحن. عادةً ما يتم تصميم بطارية الهاتف بحيث تدوم ما بين 500 إلى 600 دورة ، ويتم تعريف دورة بأنها شحن بطارية ميتة بالكامل إلى 100٪ ثم استنزافها إلى الصفر مرة أخرى. تعد شحن البطارية التي تحتوي على شحن بنسبة 50٪ عليها ، ثم استنزافها مرة أخرى إلى 50٪ عبارة عن دورة جزئية ، وهذا هو السبب في أنك ستسمع أشخاصًا يخبرونك بشحن البطارية قبل أن تنخفض ، كما تسمع أشخاصًا يخبرونك بالعكس كما طرق لعبة النظام ودرء تلك الدورة 500. بالطبع ، لا يعمل بهذه الطريقة لأن البطارية لا تحسب فعليًا عدد دورات الشحن. خمسمائة هو مجرد تقدير.

ولكن يمكن قياس طول العمر في دورات بسبب ما يحدث عند شحن البطارية وكيف تؤثر على دورات الشحن المستقبلية ، وكمية الطاقة التي يمكن تخزينها والإمكانات (اعتقد عدد فولتات) الشحنة المخزنة.

الأكسدة والكفاءة يكرهون بعضهم البعض

نظرًا لأن السيارات الكهربائية شيء حقيقي والبطاريات التي تستخدمها باهظة الثمن بشكل غير معقول ، فقد تم إجراء الكثير من الدراسات حول سبب تدهور بطاريات الليثيوم أيون أثناء عمرها. لحسن الحظ ، ينطبق هذا أيضًا على البطاريات الأقل تكلفة (ولكن لا تزال باهظة الثمن) داخل هواتفنا ، وذلك بسبب التغييرات الكيميائية التي تحدث أثناء شحن البطاريات.

نحن نعلم أن شحن البطارية يشحن أيونات الليثيوم التي يتم جذبها بعد ذلك المغناطيسية (الكهرباء المغناطيسية) إلى القطب السالب. مع اجتذاب المزيد والمزيد من الأيونات المشحونة ، يزداد فرق الجهد بين القطب السالب والقطب الموجب. هذه هي الطريقة التي تقيس بها الجهد - اختلاف الطاقة المحتملة بين قطبين. بمجرد أن تصل إلى قراءة محددة ، تعتبر البطارية مشحونة بالكامل. العكس هو الصحيح أثناء تفريغ البطارية والفرق المحتمل ينخفض ​​حتى تصل إلى الصفر لأنه لا توجد أيونات موجبة الشحنة في القطب السالب. لكن هذا لا يعني أن القطب السالب نظيف تمامًا كما كان قبل البدء.

الأقطاب تتأكسد. بنفس الطريقة التي يمكن أن يؤدي بها الماء والهواء إلى صدأ الحديد (وهو المكان الذي تأتي منه كلمة الأكسدة) ، فإن أملاح الليثيوم والجرافيت والكهارل ستؤدي إلى تأكسد الإلكترود. عندما يتم تجريد كل أيون موجب الشحنة من الأنود في البطارية ، تترك طبقة مجهرية من الجزيئات وقد تم ربطها كيميائيًا بأقطاب الأنود الغرافيتية. تتكون هذه الجسيمات من ذرات أكسيد الليثيوم (الليثيوم المرتبط بالأكسجين) وذرات كربونات الليثيوم (الليثيوم المرتبط بالكربون) ، والتي ليس لأي منها نفس الخصائص الكيميائية أو الكهربائية مثل الجرافيت. تتداخل هذه الطبقة مع دورة الشحن / التفريغ وكل من فرق الجهد (الجهد) وعدد الأيونات المشحونة التي يمكن جذبها تتغير. في النهاية ، التغييرات كافية لإشعارها. إذا واصلت استخدام البطارية وشحنها كما تفعل عادةً ، فستصل إلى النقطة التي لا توجد فيها طاقة كهربائية كافية لتخزين هاتفك.

يؤدي شحن البطارية بشكل أساسي إلى تغيير تركيبة الأقطاب الكهربائية ويؤثر على الطريقة التي سيتم شحنها بها في المستقبل.

تؤثر الأنواع المختلفة من تركيبة الليثيوم ، وكذلك الأملاح المختلفة المستخدمة في محلول الإلكتروليت ، على مقدار هذه الرواسب التي يتم تركها في الإلكترود. لكن المواد التي تصنع دورة أنظف ليست بالضرورة الأفضل لأنها لا توفر الكثير من الطاقة المخزنة. نريد بطاريات عالية السعة ومنخفضة الطاقة في هواتفنا لأنها أكثر أمانًا من البطاريات عالية الطاقة (وأقل تكلفة) ونريدها أن توفر الطاقة لهاتفنا طالما استطاعت. يمكن أن تستخدم السيارة الكهربائية بطاريات عالية السعة وعالية الطاقة لأنها محمية بواسطة إطار صلب ولا يحتمل أن تتعرض للتلف. إنها ضرورية لأن السيارة تحتاج إلى أن تكون قادرة على قطع مسافات طويلة بين الشحنات. لكن تكلفة بطارية بديلة لجهاز Tesla Model S هي 12000 دولار أيضًا. يأتي جزء من هذه التكلفة من المواد باهظة الثمن المستخدمة في إنشاء بطارية ليثيوم النيكل والكوبالت وأكسيد الألومنيوم بدلاً من بطاريات الليثيوم والكوبالت الأساسية المستخدمة في الهاتف والتي لا تدوم كثيرًا من الدورات قبل أن تتحلل.

المسائل الجهد

واحد من أكبر العوامل التي يمكن أن تؤثر على عدد دورات بطارية ليثيوم أيون سوف تستمر هو الجهد. ليست الهواتف والسيارات هي الأشياء الوحيدة المصممة للعمل على بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن ، وفي عام 2015 ، أنفقت وزارة الطاقة الأمريكية الكثير من المال والوقت لمعرفة بالضبط ما الذي يسبب المشاكل وكيفية التخفيف منها لأن الأقمار الصناعية تستخدم بطاريات الليثيوم والشواحن الشمسية. وجدت الدراسات أنه بعد تكوين البطارية نفسها ، فإن السبب التالي الأكبر الذي يمكن أن يؤثر على طول عمر البطارية هو فولطية الشحن والجهد للشحنة المحتجزة.

الكيمياء التي تعمل بطارية ليثيوم تعمل بشكل طبيعي تتسبب في تدهور الأنود ، وهذا ما تحدثنا عنه أعلاه. ولكن إذا قمت بشحن بطارية بأكثر من 3.9 فولت ، أو قمت بتخزين شحنة بفارق يحتمل أن يكون أعلى من 3.9 فولت ، يحدث نفس النوع من التحلل للكاثود (القطب الموجب). هذا يقلل بشكل أساسي من عمر البطارية إلى النصف. إن شحن الجهد والجهد الثابت هما نفس الشيء لأنك تثير كل مكونات البطارية ، ولكن الشحن يقدم أيضًا الحرارة ، وكلما زاد الجهد الكهربائي كلما زادت الحرارة. تطبق الحرارة عندما يتم تحريك البطارية أعلى من 3.9 فولت مما يزيد من تفاقم تدهور الكاثود.

لا توجد عصابة سرية من صانعي البطاريات الذين يحاولون الفرار منا ؛ كل شيء الكيمياء.

بمعنى آخر ، فإن الفولتية اللازمة لتشغيل هاتف حديث وشحن بطاريته بسرعة تعني أنه من المستحيل تقريبًا "إصلاح" الأشياء. أي شخص لديه تدريبات تعمل بالبطارية رأى هذا في العمل. لا تدوم البطاريات 12 أو 14 فولت المستخدمة في أداة ما يقرب من دورات مثل تلك الموجودة في هواتفنا. إنهم يخزنون ويعملون بجهد أعلى ، يشحنون بجهد أعلى وأكثر سخونة ، ويمكن أن يتأثروا بشكل ملحوظ بعد بضع دورات شحن. إنهم يستخدمون نفس البطاريات الأساسية القائمة على الليثيوم كهاتف لأن استخدام أنواع المواد التي نراها في بطارية Tesla S سيجعلها أكثر تكلفة ، وليس لديهم عمر طويل للغاية. الحمد لله ، يمكننا إعادة تدوير معظم المواد الموجودة بها ، ونحن لا نغرق في بحر من بطاريات ماكيتا وبورتر كابل المهملة ، حيث أصبح الليثيوم أغلى من الذهب.

والخبر السار هو أن جميع الشركات التي تصنع بطاريات الليثيوم تعمل على تحسين الأمور. كل من يمكنه الخروج بالبطارية الأولى التي تدوم لفترة أطول سيجني الكثير من المال منها. كل ما يمكننا فعله هو شحن هواتفنا عند الحاجة إلى الشحن ، ونعلم أنه لا توجد بعض المؤامرة بين شركات تصنيع البطاريات لحملنا على شراء منتجات جديدة في كثير من الأحيان.

تتمتع هواتف Android هذه بأفضل عمر للبطارية