Niciodată o baterie nu funcționează mai bine decât la prima încărcare. Este în natura lor: Ele stochează energie pentru noi, dar fac acest lucru mai puțin eficient de fiecare dată când le reîncărcăm.
Nu că nu există lucruri pe care să nu le putem face pentru ca bateriile să își mențină mai bine încărcătura, așa cum experți precum Venkat Srinivasan sunt bucuroși să ne sfătuiască. „Nu vă folosiți laptopul ca pe un desktop”, spune el. „Când este complet încărcat, scoateți-l din priză. Bateria este deja încărcată, iar noi încă insistăm să o încărcăm din ce în ce mai mult.”
În timp ce spunea asta, nu m-am putut abține să nu arunc o privire nervoasă spre laptopul pe care îi transcriam cu furie cuvintele. Bineînțeles că era conectat la priză. Bineînțeles că fusese așa cel puțin de ieri, și bineînțeles că ceea ce fusese cândva cel puțin câteva ore de autonomie a bateriei era acum probabil cel mult o jumătate de oră deconectat. Să sperăm că Srinivasan nu și-a dat seama de proasta mea gestionare a bateriei doar vorbind cu mine.
Srinivasan este unul dintre principalii cercetători care explorează știința bateriilor la Laboratorul Național Argonne, situat la o jumătate de oră la sud-vest de Chicago. El cunoaște toate trucurile pentru ca bateria unui telefon sau a unui laptop să nu-și piardă capacitatea de a se menține încărcată. Secretul principal, spune el, este să nu încărcați niciodată dispozitivul până la capăt.
„Cel mai bun lucru pe care îl puteți face este să ajungeți până la 70 sau 80 la sută de încărcare, să nu depășiți această valoare și să rămâneți într-un fel în acest interval”, spune el. Motivul pentru acest sfat se află în structura chimică a bateriei litiu-ion care alimentează majoritatea aparatelor electronice de consum și, din ce în ce mai mult, vehiculele electrice. Acțiunile de încărcare și descărcare a unei baterii pot face ca materialele sale să se extindă și să se contracte, supunând întreaga baterie la stres și scurtându-i durata de viață.
Dacă lăsați o baterie de telefon să funcționeze până când se descarcă și apoi o încărcați din nou până la 100 la sută, aceasta ar putea avea doar câteva sute de cicluri înainte de a nu mai funcționa. Cineva care se angajează în mod absurd să mențină oscilațiile unei baterii la un nivel foarte mic – să zicem între 75 și 78 la sută – ar putea stoarce până la 300.000 de cicluri, conform calculelor lui Srinivasan.
Srinivasan admite că acest tip de gestionare precisă a bateriei va fi aproape sigur mai mult deranj decât merită pentru majoritatea oamenilor, așa că el recomandă o abordare mai simplă pentru ca bateriile să își mențină încărcătura.
Dincolo de preocupările structurale, de ce este atât de dăunător pentru o baterie să o menții complet încărcată, sau chiar doar să o încarci până la capăt?
Răspunsul se află în mediile microscopice neiertătoare și volatile din interiorul acestor centrale electrice portabile. Încă de la prima lor încărcare, bateriile duc o bătălie pierdută cu propria lor chimie.
Baterii reîncărcabile, cum sunt cele dintr-un telefon sau laptop, generează curent electric din mișcarea între electrozi a particulelor încărcate, sau ioni, ale elementului litiu – de aceea le numim baterii litiu-ion.
Când o baterie se descarcă, particulele se deplasează de la electrodul negativ la electrodul pozitiv, cunoscute și sub numele de anod și, respectiv, catod. Procesul se inversează în timpul încărcării. În cazul bateriilor litiu-ion, anodul este realizat, în general, dintr-un compus de carbon conductor electric, cum ar fi grafitul, în timp ce catodul este realizat dintr-un compus pe bază de litiu care poate absorbi și elibera ionii de litiu.
Aici începe problema dacă, să zicem, un telefon este lăsat în priză toată noaptea. Ionii reacționează cu catodul într-un proces chimic numit oxidare, care consumă o parte din litiul din baterie. Cu cât aceste reacții au loc mai mult timp, cu atât se pierd mai multe particule necesare pentru a susține curentul bateriei. Nu mai durează la fel de mult timp pentru a descărca particulele, ceea ce înseamnă că bateria se golește mult mai repede decât o făcea înainte. Problema se poate agrava dacă bateria este încărcată într-un ritm prea rapid, ceea ce îi diminuează, de asemenea, capacitatea.
Bateria se confruntă cu pericole dincolo de supraîncărcare, deoarece mediul chimic se degradează inexorabil, chiar dacă sunteți întotdeauna perfect atenți la momentul în care trebuie să vă deconectați telefonul.
„În cazul ionilor de litiu, unii dintre ei se pierd”, a explicat cercetătorul Michael Toney, specialist în materiale, cercetător la SLAC National Accelerator Laboratory, în apropiere de Universitatea Stanford. „Rămân blocați în locuri în care nu mai sunt capabili să facă naveta între anod și catod. Părți ale anodului sau catodului ajung să fie deconectate electronic de la colectorul de curent. Aceasta este partea din baterie care colectează electronii care circulă înainte și înapoi pe măsură ce încărcați și descărcați bateria.”
Ionii de litiu călătoresc între electrozi prin intermediul unor substanțe chimice lichide numite electroliți. Acei electroliți sunt esențiali pentru întreaga operațiune, dar ei suferă, de asemenea, reacții cu anodul care scurtează durata de viață a bateriei.
„Natura, din păcate, vrea ca acea reacție să aibă loc, așa că ea va avea loc”, a spus Srinivasan. Tot ceea ce pot face proiectanții de baterii este să încerce să mențină această reacție la un nivel minim. „Dar nu este perfect. Se întoarce să te muște.”
Cu toate acestea, oricât de pretențioase pot fi bateriile litiu-ion, majoritatea oamenilor probabil că nu vor observa o problemă prea mare, pur și simplu pentru că nu își păstrează telefonul sau laptopul suficient de mult timp pentru ca situația de încărcare să devină cu adevărat gravă. S-ar putea să existe o resemnare aproape subconștientă că, da, este timpul să renunți și să îți folosești laptopul ca un desktop conectat permanent la priză, sau un sentiment vag că telefonul tău nu pare să aibă nici pe departe durata de viață a bateriei care a fost anunțată. Dar dacă nu plănuiți să vă păstrați electronicele cu mult peste trei ani, nu va fi o problemă atât de mare.
Dar ce se întâmplă cu mașinile electrice, care funcționează cu versiuni mult mai mari ale unor baterii litiu-ion similare? Cei mai mulți oameni care cheltuiesc mai mult de 70.000 de dolari pentru o mașină Tesla vor dori ca acea baterie să țină o încărcătură timp de mai mulți ani, poate chiar un deceniu sau mai mult. În orice caz, vehiculele electrice prezintă probleme unice în gestionarea încărcăturii pe care electronicele de uz casnic nu le au.
„În mod obișnuit, dacă apăsați pe accelerație, doriți ca mașina să răspundă în mod corespunzător”, a spus Toney. „Deci, acest lucru poate solicita bateria foarte tare pentru o perioadă scurtă de timp. Acesta nu este de obicei genul de descărcări pe care le veți vedea la un laptop sau la un telefon mobil.”
Dincolo de utilizarea regulată, toate bateriile sunt sensibile la fluctuațiile de temperatură, unele baterii de telefon sau laptop fiind programate să se oprească automat dacă se încălzesc prea tare. O baterie Tesla, aproximativ echivalentul a 8.000 de baterii de telefon mobil, se poate încălzi mult mai mult în timpul utilizării. Și este posibil ca stația de încărcare să se afle într-o locație răcoroasă, creând o oscilație de temperatură potențial periculoasă.
Există, de asemenea, problema cât de repede trebuie să se încarce un vehicul electric. Deocamdată, mulți șoferi de mașini electrice se mulțumesc să își încarce vehiculul peste noapte, ceea ce înseamnă că bateria mașinii își poate recăpăta încărcătura într-un ritm sigur și lent. Dar orice infrastructură viitoare a mașinilor electrice va avea nevoie de echivalentul stațiilor de benzină – locuri în care șoferii pot realimenta în timpul călătoriilor lungi.
„În mod ideal, am dori ca vehiculele electrice să se încarce în mai puțin de 15 minute, adică în punctul în care vă imaginați că cineva oprește într-o stație de reîncărcare, merge la baie, își ia o băutură și este încărcat și gata de plecare”, a spus Toney. „Acest lucru consumă foarte multă energie, iar bateriile nu sunt încă capabile să facă față. Ele nu se vor încărca la capacitate maximă. Dacă încercați să vă reîncărcați bateria la o astfel de rată, aceasta va ceda rapid.”
Bateria litiu-ion este o invenție remarcabilă, ajutând la alimentarea revoluțiilor tehnologice în modul în care folosim computerele, telefoanele și, în cele din urmă, mașinile. Dar aceeași chimie internă care le face atât de ideale pentru alimentarea dispozitivelor noastre indispensabile înseamnă, de asemenea, că timpul lor este limitat în mod inerent.
Obținerea unor baterii care să țină încărcătura mai mult timp este una dintre multele probleme fundamentale cu care cercetătorii în domeniul bateriilor caută să se confrunte, fie că asta înseamnă îmbunătățirea configurației care există deja sau crearea a ceva nou și mai bun.
În timp ce așteptăm, luați în considerare urmarea sfatului lui Srinivasan: „Cel puțin nu vă lăsați laptopul conectat la priză!” Cel puțin pentru aceia dintre noi care nu au distrus deja complet durata de viață a bateriei computerului nostru, adică.
.