Et batteri fungerer aldrig bedre end første gang, du lader det op. Det ligger i deres natur: De lagrer energi for os, men de gør det mindre effektivt, hver gang vi oplader dem.
Det betyder ikke, at der ikke er ting, vi kan gøre for at holde batterierne bedre opladet, hvilket eksperter som Venkat Srinivasan gerne rådgiver om. “Brug ikke din bærbare computer som en stationær computer”, siger han. “Når den er fuldt opladet, skal du trække stikket ud. Batteriet er allerede opladet, og vi insisterer stadig på at oplade mere og mere.”
Mens han sagde det, kunne jeg ikke lade være med at kigge nervøst ned på den bærbare computer, som jeg rasende var i gang med at transskribere hans ord på. Selvfølgelig var den sat i stikkontakten. Selvfølgelig havde den været sådan siden i hvert fald i går, og selvfølgelig var det, der engang havde været mindst et par timers batterilevetid, nu nok højst en halv time uden stikkontakter. Forhåbentlig kunne Srinivasan ikke se min dårlige batterihåndtering bare ved at tale med mig.
Srinivasan er en af de ledende forskere, der udforsker videnskaben om batterier på Argonne National Laboratory, som ligger en halv time sydvest for Chicago. Han kender alle de tricks, der skal til for at forhindre, at batteriet i en telefon eller en bærbar computer mister sin evne til at holde en opladning. Den vigtigste hemmelighed er, siger han, at man aldrig oplader sin enhed helt op.
“Det bedste, man kan gøre, er at gå op til 70 eller 80 procent opladning, ikke at gå over det, og så holde sig inden for det område”, siger han. Årsagen til dette råd ligger i den kemiske struktur af lithium-ion-batteriet, som driver de fleste forbrugerelektronikprodukter og i stigende grad også elbiler. Opladning og afladning af et batteri kan få materialerne til at udvide og trække sig sammen, hvilket sætter hele batteriet under pres og forkorter dets levetid.
Hvis du lader et telefonbatteri køre, indtil det er dødt, og derefter lader det helt op til 100 procent igen, har det måske kun et par hundrede cyklusser, før det holder op med at fungere. En person, der er absurd engageret i at holde et batteris svingninger meget små – lad os sige mellem 75 og 78 procent – kan ifølge Srinivasans beregninger vriste op til 300.000 cyklusser ud af det.
Srinivasan indrømmer, at den slags præcis batteristyring næsten helt sikkert vil være mere besvær, end det er værd for de fleste mennesker, så han anbefaler en enklere tilgang til at holde batterierne i gang med at holde deres opladning.
Og ud over de strukturelle problemer, hvorfor er det så skadeligt for et batteri at holde det fuldt opladet, eller bare at lade det helt op?
Svaret ligger i de utilgivelige, flygtige mikroskopiske miljøer i disse bærbare kraftværker. Allerede fra den første opladning kæmper batterierne en tabt kamp mod deres egen kemi.
Opladelige batterier som dem i en telefon eller bærbar computer genererer elektrisk strøm fra bevægelsen mellem elektroder af ladede partikler, eller ioner, af grundstoffet lithium – det er derfor, vi kalder dem lithium-ion-batterier.
Når et batteri aflades, bevæger partiklerne sig fra den negative elektrode til den positive elektrode, også kendt som henholdsvis anode og katode. Processen er omvendt under opladning. I lithium-ion-batterier er anoden generelt fremstillet af en elektrisk ledende kulstofforbindelse som f.eks. grafit, mens katoden er fremstillet af en lithiumbaseret forbindelse, der kan optage og frigive lithiumionerne.
Her begynder problemet, hvis f.eks. en telefon bliver efterladt i stikkontakten hele natten. Ionerne reagerer med katoden i en kemisk proces, der kaldes oxidation, hvilket forbruger noget af batteriets lithium. Jo længere disse reaktioner finder sted, jo flere partikler, der er nødvendige for at opretholde batteriets strøm, går tabt. Det tager ikke så lang tid at aflade partiklerne, hvilket betyder, at batteriet bliver tomt meget hurtigere, end det plejer at være. Problemet kan forværres, hvis batteriet oplades for hurtigt, hvilket også dræner dets kapacitet.
Batterier står over for farer ud over overopladning, da det kemiske miljø ubønhørligt nedbrydes, selv om du altid er perfekt opmærksom på, hvornår du skal trække stikket ud af stikkontakten til din telefon.
“Med lithiumionerne går nogle af dem tabt”, forklarede materialeforsker Michael Toney, der er forsker ved SLAC National Accelerator Laboratory i nærheden af Stanford University. “De sidder fast på steder, hvor de ikke længere kan pendle tilbage mellem anoden og katoden. Dele af anoden eller katoden bliver elektronisk afbrudt fra strømaftageren. Det er den del af batteriet, der samler elektroner, som løber frem og tilbage, når man oplader og aflader batteriet.”
Lithiumionerne bevæger sig mellem elektroderne gennem flydende kemikalier, der kaldes elektrolytter. Disse elektrolytter er vigtige for hele operationen, men de gennemgår også reaktioner med anoden, der forkorter batteriets levetid.
“Naturen ønsker desværre at få den reaktion til at ske, så den vil ske,” sagde Srinivasan. Alt, hvad batteridesignere kan gøre, er at forsøge at holde denne reaktion på et minimum. “Men det er ikke perfekt. Det kommer tilbage og bider dig.”
Så kræsne som lithium-ion-batterier kan være, vil de fleste mennesker sandsynligvis ikke bemærke et stort problem, simpelthen fordi de ikke har deres telefon eller bærbare computer længe nok til, at opladningssituationen bliver virkelig alvorlig. Der er måske en næsten ubevidst resignation over, at ja, det er på tide at give op og bruge den bærbare computer som en permanent tilsluttet desktop, eller en vag fornemmelse af, at telefonen tilsyneladende ikke har nær så lang batterilevetid, som der blev reklameret for. Men medmindre du har planer om at beholde din elektronik meget længere end tre år, vil det ikke være så stort et problem.
Men hvad med elbiler, som kører på meget større versioner af lignende lithium-ion-batterier? De fleste mennesker, der betaler mere end 70.000 dollars for en Tesla-bil, vil have, at batteriet skal kunne holde en opladning i flere år, måske endda i et årti eller længere. Hvis der er noget, så giver elbiler unikke problemer med at styre opladningen, som husholdningselektronik ikke har.
“Typisk, hvis du træder på speederen, vil du have bilen til at reagere på passende vis”, sagde Toney. “Så det kan drive batteriet meget hårdt i et kort tidsrum. Det er typisk ikke den slags udladninger, man ser i en bærbar computer eller en mobiltelefon.”
Ud over regelmæssig brug er alle batterier følsomme over for temperatursvingninger, og nogle batterier til telefoner eller bærbare computere er programmeret til at slukke automatisk, hvis de bliver for varme. Et Tesla-batteri, der svarer til ca. 8.000 mobiltelefonbatterier, kan blive meget varmere under brug. Og det er muligt, at ladestationen vil være placeret på et køligt sted, hvilket skaber et potentielt farligt temperaturudsving.
Der er også spørgsmålet om, hvor hurtigt et elbil skal oplades. Indtil videre er mange elbilister tilfredse med at lade deres køretøj op om natten, hvilket betyder, at bilens batteri kan genoplades med en sikker, langsom hastighed. Men enhver fremtidig infrastruktur for elbiler vil have brug for det, der svarer til tankstationer – steder, hvor bilisterne kan tanke op på lange ture.
“Ideelt set vil vi gerne have, at elbiler oplades på tættere på 15 minutter, hvilket er på det punkt, hvor man forestiller sig, at en person kører ind på en opladningsstation, går på toilettet, får en drink, og så er den opladet og klar til at køre”, sagde Toney. “Det kræver meget strøm, og det kan batterierne ikke klare endnu. De vil ikke oplade til fuld kapacitet. Hvis du forsøger at oplade dit batteri med den slags hastighed, vil det hurtigt gå i stykker.”
Lithium-ion-batteriet er en bemærkelsesværdig opfindelse, der er med til at skabe teknologiske revolutioner i den måde, vi bruger computere, telefoner og i sidste ende biler på. Men den samme interne kemi, der gør dem så ideelle til at drive vores uundværlige apparater, betyder også, at deres tid i sagens natur er begrænset.
At få batterier til at holde en opladning længere er et af de mange grundlæggende problemer, som batterividenskabsfolk forsøger at løse, uanset om det betyder at forbedre den opsætning, der allerede findes, eller at skabe noget nyt og bedre.
Mens vi venter, kan du overveje at følge Srinivasans råd: “Lad i det mindste ikke din bærbare computer sidde i stikkontakten!” I det mindste for dem af os, der ikke allerede har ødelagt computerens batterilevetid fuldstændigt, det vil sige.