Az akkumulátor soha nem működik jobban, mint az első feltöltéskor. Ez a természetükből fakad: Energiát tárolnak számunkra, de ezt minden egyes alkalommal, amikor feltöltjük őket, egyre kevésbé hatékonyan teszik.
Nem mintha nem tudnánk tenni azért, hogy az akkumulátorok jobban tartsák a töltésüket, amit az olyan szakértők, mint Venkat Srinivasan szívesen tanácsolnak. “Ne használd a laptopodat úgy, mint egy asztali számítógépet” – mondja. “Amikor teljesen feltöltődött, húzd ki a dugót. Az akkumulátor már fel van töltve, és mi még mindig ragaszkodunk ahhoz, hogy egyre többet és többet töltsünk.”
Amíg ezt mondta, nem tudtam nem idegesen lenézni a laptopra, amelyre dühösen átírtam a szavait. Természetesen be volt dugva. Persze, hogy legalább tegnap óta így volt, és persze, hogy ami egykor legalább néhány órányi akkumulátor-üzemidő volt, az most valószínűleg legfeljebb egy kihúzott félóra volt. Remélhetőleg Srinivasan nem tudta megállapítani a rossz akkumulátorkezelésemet pusztán a velem való beszélgetésből.
Srinivasan az egyik vezető kutató, aki az akkumulátorok tudományát kutatja az Argonne Nemzeti Laboratóriumban, amely Chicagótól fél órányira délnyugatra található. Ismeri az összes trükköt, hogy egy telefon vagy laptop akkumulátora ne veszítse el a töltéstartó képességét. A legfőbb titok szerinte az, hogy soha ne töltsük fel teljesen a készüléket.
“A legjobb, amit tehetünk, hogy 70 vagy 80 százalékos töltöttségi szintre megyünk fel, nem megyünk felette, és valahogy ebben a tartományban maradunk” – mondja. Ennek a tanácsnak az oka a lítium-ion akkumulátor kémiai szerkezetében rejlik, amely a legtöbb szórakoztatóelektronikai eszközt és egyre inkább az elektromos járműveket is táplálja. Az akkumulátor töltése és kisütése az anyagok kitágulását és összehúzódását okozhatja, ami az egész akkumulátort terhelésnek teszi ki, és lerövidíti az élettartamát.
Ha egy telefon akkumulátorát addig hagyjuk működni, amíg le nem merül, majd újra feltöltjük 100 százalékra, akkor lehet, hogy csak néhány száz ciklusa van, mielőtt leállna. Valaki, aki abszurd módon elkötelezi magát amellett, hogy az akkumulátor kilengéseit parányi szinten tartja – mondjuk 75 és 78 százalék között -, Srinivasan számításai szerint akár 300 000 ciklusra is képes lehet.
Srinivasan elismeri, hogy ez a fajta precíz akkumulátor-kezelés a legtöbb ember számára szinte biztosan több gondot okoz, mint amennyit megér, ezért egy egyszerűbb megközelítést javasol, hogy az akkumulátorok megtartsák a töltésüket.
A szerkezeti aggályokon túl miért olyan káros egy akkumulátornak, ha teljesen feltöltve tartjuk, vagy akár csak teljesen feltöltjük?
A válasz a hordozható erőművek kíméletlen, illékony mikroszkopikus környezetében rejlik. Az akkumulátorok már az első töltéstől kezdve vesztes harcot vívnak saját kémiai összetételükkel.
Az olyan újratölthető akkumulátorok, mint amilyenek a telefonokban vagy laptopokban vannak, a lítium elem töltött részecskéinek, azaz ionjainak az elektródák közötti mozgásából generálnak elektromos áramot – ezért nevezzük őket lítium-ion akkumulátoroknak.
Az akkumulátor kisütésekor a részecskék a negatív elektródáról a pozitív elektródára, azaz az anódra és a katódra mozognak. Töltéskor a folyamat megfordul. A lítium-ion akkumulátorokban az anód általában elektromosan vezető szénvegyületből, például grafitból készül, míg a katód lítiumalapú vegyületből, amely képes a lítiumionokat elnyelni és leadni.
Itt kezdődik a probléma, ha mondjuk egy telefon egész éjszakára bedugva marad. Az ionok reakcióba lépnek a katóddal egy oxidációnak nevezett kémiai folyamat során, amely az akkumulátor lítiumának egy részét elhasználja. Minél tovább zajlanak ezek a reakciók, annál több részecske vész el az akkumulátor áramának fenntartásához. A részecskék kisütése nem tart olyan sokáig, ami azt jelenti, hogy az akkumulátor sokkal gyorsabban lemerül, mint korábban. A probléma súlyosbodhat, ha az akkumulátort túl gyorsan töltik, ami szintén lemeríti a kapacitását.
Az akkumulátorok a túltöltésen túl is veszélyekkel szembesülnek, mivel a kémiai környezet kérlelhetetlenül romlik, még akkor is, ha mindig tökéletesen odafigyelünk arra, hogy mikor kell kihúzni a telefont.
“A lítiumionok egy része elveszik” – magyarázta Michael Toney anyagtudós, a Stanford Egyetem közelében található SLAC Nemzeti Gyorsító Laboratórium kutatója. “Megrekednek olyan helyeken, ahol már nem tudnak visszasiklani az anód és a katód között. Az anód vagy a katód egyes részei elektronikusan elszakadnak az áramgyűjtőtől. Ez az akkumulátornak az a része, amely összegyűjti az elektronokat, amelyek oda-vissza futnak az akkumulátor töltése és kisütése közben.”
A lítiumionok az elektródák között folyékony vegyi anyagokon, úgynevezett elektrolitokon keresztül haladnak. Ezek az elektrolitok nélkülözhetetlenek az egész működéshez, de olyan reakciókat is lejátszanak az anóddal, amelyek lerövidítik az akkumulátor élettartamát.
“A természet sajnos azt akarja, hogy ez a reakció bekövetkezzen, tehát bekövetkezik” – mondta Srinivasan. Az akkumulátor tervezői csak annyit tehetnek, hogy megpróbálják ezt a reakciót a minimálisra csökkenteni. “De ez nem tökéletes. Visszajön és megharap.”
Mégis, amilyen kényes tud lenni a lítium-ion akkumulátor, a legtöbb ember valószínűleg nem fog túl nagy problémát észrevenni, egyszerűen azért, mert nem tartja a telefonját vagy laptopját elég sokáig ahhoz, hogy a töltési helyzet valóban vészessé váljon. Lehet, hogy szinte tudat alatt beletörődnek abba, hogy igen, itt az ideje feladni, és a laptopot állandóan csatlakoztatott asztali számítógépként használni, vagy csak homályosan érzik, hogy a telefonjuknak közel sem olyan az akkumulátor élettartama, mint ahogyan azt reklámozták. De hacsak nem tervezi, hogy az elektronikai eszközeit három évnél tovább tartja, ez nem lesz olyan nagy ügy.
De mi a helyzet az elektromos autókkal, amelyek a hasonló lítium-ion akkumulátorok sokkal nagyobb változataival működnek? A legtöbb ember, aki több mint 70 000 dollárt költ egy Tesla autóra, azt szeretné, ha az akkumulátor több évig, sőt talán egy évtizedig vagy tovább tartaná a töltést. Ha valami, akkor az elektromos járművek olyan egyedi problémákat vetnek fel a töltés kezelésével kapcsolatban, amelyeket a háztartási elektronika nem.
“Általában, ha rálépünk a gázpedálra, azt akarjuk, hogy az autó megfelelően reagáljon” – mondta Toney. “Így ez rövid időre nagyon erősen meghajtja az akkumulátort. Ez tipikusan nem az a fajta kisülés, amit egy laptopban vagy mobiltelefonban látunk.”
A rendszeres használaton kívül minden akkumulátor érzékeny a hőmérséklet-ingadozásra, egyes telefonok vagy laptopok akkumulátorai úgy vannak programozva, hogy automatikusan kikapcsolnak, ha túl melegek lesznek. Egy Tesla akkumulátor, amely nagyjából 8000 mobiltelefon akkumulátorának felel meg, használat közben sokkal jobban felmelegedhet. És lehetséges, hogy a töltőállomás hűvös helyen lesz, ami potenciálisan veszélyes hőmérséklet-ingadozást okozhat.
Az is kérdés, hogy milyen gyorsan kell feltölteni egy elektromos járművet. Egyelőre sok elektromosautó-vezető megelégszik azzal, hogy éjszakai töltéssel tölti járművét, ami azt jelenti, hogy az autó akkumulátora biztonságos, lassú ütemben nyerheti vissza a töltést. A jövőbeni elektromosautó-infrastruktúrának azonban szüksége lesz a benzinkutak megfelelőjére – olyan helyekre, ahol a járművezetők hosszú utak során tankolhatnak.
“Ideális esetben azt szeretnénk, ha az elektromos járművek 15 perchez közelebb töltenének fel, ami az a pont, amikor elképzelhető, hogy valaki behajt egy töltőállomáshoz, kimegy a mosdóba, iszik valamit, és máris indulásra készen feltöltődik” – mondta Toney. “Ez rengeteg energiát igényel, és az akkumulátorok még nem képesek ezt kezelni. Nem töltődnek fel teljes kapacitásig. Ha ilyen sebességgel próbálja feltölteni az akkumulátort, az gyorsan tönkremegy.”
A lítium-ion akkumulátor figyelemre méltó találmány, amely hozzájárul a számítógépek, telefonok és végül az autók használatában bekövetkező technológiai forradalmakhoz. De ugyanaz a belső kémia, amely olyannyira ideálissá teszi őket nélkülözhetetlen eszközeink működtetésére, azt is jelenti, hogy az idejük természetüknél fogva korlátozott.
Az akkumulátorok hosszabb töltéstartásának elérése az egyik alapvető kérdés a sok közül, amellyel az akkumulátorokkal foglalkozó tudósok meg akarnak küzdeni, akár a már létező beállítás javítását jelenti ez, akár valami új és jobb létrehozását.
Amíg várunk, fontoljuk meg Srinivasan tanácsának követését: “Legalább a laptopodat ne hagyd bedugva!” Legalábbis azok számára, akik még nem tették teljesen tönkre a számítógépük akkumulátorának élettartamát.