Bateria nigdy nie działa lepiej niż za pierwszym razem, gdy ją naładujesz. To leży w ich naturze: Przechowują dla nas energię, ale robią to mniej wydajnie za każdym razem, gdy je ładujemy.
Nie to, że nie ma rzeczy, które możemy zrobić, aby baterie lepiej trzymały swój ładunek, jak radzą eksperci tacy jak Venkat Srinivasan. „Nie używaj swojego laptopa jak komputera stacjonarnego”, mówi. „Gdy jest w pełni naładowany, wyciągnij wtyczkę. Bateria jest już naładowana, a my wciąż upieramy się, by ładować coraz więcej.”
Gdy to mówił, nie mogłem powstrzymać się od nerwowego spojrzenia w dół na laptopa, na którym wściekle przepisywałem jego słowa. Oczywiście, że był podłączony do prądu. Oczywiście był tak przynajmniej od wczoraj, i oczywiście to, co kiedyś było co najmniej kilkoma godzinami pracy na baterii, teraz było prawdopodobnie co najwyżej półgodzinną przerwą. Mam nadzieję, że Srinivasan nie mógł poznać mojego kiepskiego zarządzania baterią tylko na podstawie rozmowy ze mną.
Srinivasan jest jednym z głównych badaczy zgłębiających naukę o bateriach w Argonne National Laboratory, położonym pół godziny drogi na południowy zachód od Chicago. Zna on wszystkie sztuczki, dzięki którym bateria telefonu lub laptopa nie traci swojej zdolności do utrzymywania ładunku. Głównym sekretem, mówi, jest to, aby nigdy nie rzeczywiście naładować urządzenie całą drogę do góry.
„Najlepszą rzeczą, jaką możesz zrobić, to przejść do 70 procent lub 80 procent naładowany, nie przejść powyżej, i rodzaj pobytu w tym zakresie,” mówi. Przyczyna tej rady leży w strukturze chemicznej baterii litowo-jonowej, która zasila większość urządzeń elektronicznych i, w coraz większym stopniu, pojazdów elektrycznych. Czynności ładowania i rozładowywania baterii mogą powodować rozszerzanie i kurczenie się jej materiałów, co naraża całą baterię na stres i skraca jej żywotność.
Jeśli pozwolisz baterii telefonu działać, aż padnie, a następnie naładujesz ją z powrotem do 100 procent, może ona mieć tylko kilkaset cykli, zanim przestanie działać. Ktoś absurdalnie zobowiązała się do utrzymania baterii huśtawki maleńki – powiedzmy między 75 i 78 procent – może wring out do 300.000 cykli, zgodnie z obliczeniami Srinivasan.
Srinivasan przyznaje, że rodzaj precyzyjnego zarządzania baterią jest prawie na pewno będzie więcej kłopotów niż to jest warte dla większości ludzi, więc zaleca prostsze podejście do utrzymania baterii trzyma ich ładunek.
Poza problemami strukturalnymi, dlaczego tak szkodliwe dla baterii jest utrzymywanie jej w stanie pełnego naładowania, a nawet ładowanie jej do pełna?
Odpowiedź leży w bezlitosnym, zmiennym mikroskopijnym środowisku wewnątrz tych przenośnych magazynów energii. Od pierwszego ładowania baterie toczą przegraną walkę z własną chemią.
Akumulatory, takie jak te w telefonie lub laptopie, generują prąd elektryczny dzięki przemieszczaniu się między elektrodami naładowanych cząsteczek lub jonów pierwiastka litu – dlatego nazywamy je bateriami litowo-jonowymi.
Gdy bateria się rozładowuje, cząsteczki przemieszczają się z elektrody ujemnej do dodatniej, zwanych odpowiednio anodą i katodą. Podczas ładowania proces ten ulega odwróceniu. W akumulatorach litowo-jonowych anoda jest zazwyczaj wykonana z przewodzącego prąd elektryczny związku węgla, takiego jak grafit, natomiast katoda jest wykonana ze związku na bazie litu, który może absorbować i uwalniać jony litu.
Tutaj zaczyna się problem, jeśli, powiedzmy, telefon jest pozostawiony podłączony do prądu przez całą noc. Jony reagują z katodą w procesie chemicznym zwanym utlenianiem, który zużywa część litu w baterii. Im dłużej trwają te reakcje, tym więcej cząsteczek potrzebnych do podtrzymania prądu w baterii jest traconych. Rozładowanie tych cząsteczek nie trwa tak długo, co oznacza, że bateria rozładowuje się znacznie szybciej niż kiedyś. Problem może się pogłębić, jeśli bateria jest ładowana w zbyt szybkim tempie, co również powoduje utratę jej pojemności.
Baterie narażone są na niebezpieczeństwa wykraczające poza przeładowanie, ponieważ środowisko chemiczne nieubłaganie ulega degradacji, nawet jeśli zawsze doskonale zwracasz uwagę na to, kiedy odłączyć telefon.
„Z jonów litu, niektóre z nich się zgubić,” wyjaśnił materiałów naukowiec Michael Toney, badacz w SLAC National Accelerator Laboratory, w pobliżu Uniwersytetu Stanforda. „Utknęły w miejscach, w których nie są już w stanie przemieszczać się pomiędzy anodą i katodą. Części anody lub katody zostają elektronicznie odłączone od kolektora prądu. To jest ta część baterii, która zbiera elektrony, które biegną tam i z powrotem podczas ładowania i rozładowywania baterii.”
Jony litu przemieszczają się pomiędzy elektrodami poprzez ciekłe związki chemiczne zwane elektrolitami. Elektrolity te są niezbędne dla całej operacji, ale również wchodzą w reakcje z anodą, które skracają żywotność baterii.
„Natura, niestety, chce, aby ta reakcja zachodziła, więc będzie zachodzić” – powiedział Srinivasan. Wszystko, co projektanci baterii mogą zrobić, to spróbować ograniczyć tę reakcję do minimum. „Ale to nie jest doskonałe. It comes back to bite you.”
Still, as finicky as lithium-ion batteries can be, most people probably aren’t going to notice too much of a problem, simply because they don’t keep their phone or laptop long enough for the charging situation to become genuinely dire. Nie może być prawie podświadome rezygnacji, że, yep, to jest czas, aby po prostu zrezygnować i używać laptopa jako stale podłączony pulpit, lub niejasne poczucie, że telefon nie wydaje się mieć prawie czas pracy na baterii, który był reklamowany. Ale chyba że planujesz na utrzymanie elektroniki znacznie powyżej trzech lat, to nie będzie tak duża sprawa.
Ale co z samochodami elektrycznymi, które działają na znacznie większych wersjach podobnych baterii litowo-jonowych? Większość ludzi, którzy wydadzą ponad 70 000 dolarów na samochód Tesli, będzie chciała, aby bateria utrzymywała ładunek przez kilka lat, a może nawet dekadę lub dłużej. Jeśli cokolwiek, pojazdy elektryczne przedstawiają unikalne problemy w zarządzaniu ładunkiem, które nie występują w elektronice domowej.
„Zazwyczaj, jeśli naciskasz na pedał gazu, chcesz, aby samochód odpowiednio zareagował”, powiedział Toney. „Więc to może prowadzić baterię bardzo ciężko przez krótki okres czasu. To nie jest typowy rodzaj wyładowań, które zobaczysz w laptopie lub telefonie komórkowym.”
Poza regularnym użytkowaniem, wszystkie baterie są wrażliwe na wahania temperatury, z niektórymi telefonami lub bateriami laptopów zaprogramowanymi do automatycznego wyłączenia, jeśli staną się zbyt gorące. Bateria Tesli, będąca w przybliżeniu odpowiednikiem 8000 baterii telefonów komórkowych, może się znacznie bardziej nagrzewać podczas użytkowania. I to jest możliwe, że stacja ładowania będzie w chłodnym miejscu, tworząc potencjalnie niebezpieczną huśtawkę temperatury.
Jest też kwestia, jak szybko pojazd elektryczny musi naładować. Na razie wielu kierowców samochodów elektrycznych zadowala się ładowaniem pojazdu przez noc, co oznacza, że akumulator samochodu może odzyskać ładunek w bezpiecznym, powolnym tempie. Jednak przyszła infrastruktura dla samochodów elektrycznych będzie wymagała odpowiednika stacji benzynowych – miejsc, w których kierowcy będą mogli zatankować paliwo podczas długich podróży.
„Idealnie byłoby, gdyby pojazdy elektryczne ładowały się w czasie zbliżonym do 15 minut, czyli w momencie, w którym można sobie wyobrazić, że ktoś podjeżdża do stacji ładowania, idzie do łazienki, pije napój i jest naładowany i gotowy do drogi” – powiedział Toney. „To zużywa dużo energii, a baterie nie są jeszcze w stanie tego wytrzymać. Nie naładują się do pełnej pojemności. Jeśli spróbujesz naładować baterię w takim tempie, szybko zawiedzie.”
Akumulator litowo-jonowy to niezwykły wynalazek, pomagający napędzać rewolucje technologiczne w sposobie korzystania z komputerów, telefonów, a w końcu samochodów. Ale ta sama wewnętrzna chemia, która czyni je tak idealnymi do zasilania naszych niezbędnych urządzeń, oznacza również, że ich czas jest z natury ograniczony.
Uzyskanie baterii, aby dłużej utrzymywały ładunek, jest jedną z wielu podstawowych kwestii, z którymi naukowcy zajmujący się bateriami chcą się zmierzyć, niezależnie od tego, czy oznacza to poprawę konfiguracji, która już istnieje, czy też stworzenie czegoś nowego i lepszego.
Podczas oczekiwania warto rozważyć zastosowanie się do rady Srinivasana: „Przynajmniej nie zostawiaj swojego laptopa podłączonego do prądu!”. Przynajmniej dla tych z nas, którzy jeszcze nie zrujnowali całkowicie żywotności baterii naszego komputera, to jest.
.