Ett batteri fungerar aldrig bättre än första gången du laddar det. Det ligger i deras natur: De lagrar energi åt oss, men de gör det mindre effektivt varje gång vi laddar dem.
Inte för att det inte finns saker som vi kan göra för att batterierna ska hålla sin laddning bättre, vilket experter som Venkat Srinivasan gärna ger råd om. ”Använd inte din bärbara dator som ett skrivbord”, säger han. ”När den är fulladdad drar du ur kontakten. Batteriet är redan laddat, och vi insisterar fortfarande på att ladda mer och mer.”
När han sa detta kunde jag inte låta bli att nervöst kasta en blick ner på den bärbara datorn som jag ursinnigt skrev ner hans ord på. Naturligtvis var den inkopplad. Naturligtvis hade den varit det sedan åtminstone igår, och naturligtvis var det som en gång var minst ett par timmars batteritid nu förmodligen på sin höjd en halvtimme utan koppling. Förhoppningsvis kunde Srinivasan inte märka min dåliga batterihantering bara genom att prata med mig.
Srinivasan är en av de främsta forskarna som utforskar vetenskapen om batterier vid Argonne National Laboratory, som ligger en halvtimme sydväst om Chicago. Han känner till alla knep för att förhindra att batteriet i en telefon eller bärbar dator förlorar sin förmåga att hålla en laddning. Den viktigaste hemligheten, säger han, är att aldrig ladda enheten hela vägen upp.
”Det bästa du kan göra är att gå upp till 70 eller 80 procent laddning, inte gå över det och hålla dig inom det området”, säger han. Anledningen till detta råd ligger i den kemiska strukturen hos det litiumjonbatteri som driver de flesta konsumentelektronikprodukter och, i allt större utsträckning, elbilar. När ett batteri laddas och urladdas kan det leda till att materialen expanderar och drar ihop sig, vilket innebär att hela batteriet utsätts för påfrestningar och att dess livslängd förkortas.
Om du låter ett telefonbatteri gå tills det är tomt och sedan laddar det hela vägen tillbaka till 100 procent, kanske det bara har några hundra cykler på sig innan det slutar att fungera. En person som är absurt engagerad i att hålla batteriets svängningar små – säg mellan 75 och 78 procent – skulle kunna få ut upp till 300 000 cykler, enligt Srinivasans beräkningar.
Srinivasan medger att den sortens exakta batterihantering med största sannolikhet kommer att vara mer besvärlig än vad den är värd för de flesta människor, så han rekommenderar ett enklare tillvägagångssätt för att hålla batterier med sin laddning.
Ovanför de strukturella problemen, varför är det så skadligt för ett batteri att hålla det fullt laddat, eller till och med bara att ladda det hela vägen upp?
Svaret ligger i de oförlåtande, flyktiga mikroskopiska miljöerna inom dessa bärbara kraftverk. Redan vid den första laddningen utkämpar batterierna en förlorad kamp mot sin egen kemi.
Uppladdningsbara batterier som de i en telefon eller bärbar dator genererar elektrisk ström från rörelsen mellan elektroder av laddade partiklar, eller joner, av grundämnet litium – det är därför vi kallar dem för litiumjonbatterier.
När ett batteri urladdas flyttar sig partiklarna från den negativa elektroden till den positiva elektroden, som också kallas för anod respektive katod. Processen är omvänd vid laddning. I litiumjonbatterier är anoden i allmänhet tillverkad av en elektriskt ledande kolförening som grafit, medan katoden är tillverkad av en litiumbaserad förening som kan absorbera och frigöra litiumjonerna.
Här börjar problemet om till exempel en telefon lämnas inkopplad hela natten. Jonerna reagerar med katoden i en kemisk process som kallas oxidation, vilket förbrukar en del av batteriets litium. Ju längre dessa reaktioner pågår, desto fler partiklar som behövs för att upprätthålla batteriets ström går förlorade. Det tar inte lika lång tid att ladda av partiklarna, vilket innebär att batteriet töms mycket snabbare än tidigare. Problemet kan förvärras om batteriet laddas för snabbt, vilket också tär på dess kapacitet.
Batterier står inför faror som sträcker sig längre än till överladdning, eftersom den kemiska miljön obönhörligen försämras, även om du alltid är perfekt uppmärksam på när du ska dra ur kontakten med din telefon.
”En del av litiumjonerna försvinner”, förklarar materialforskaren Michael Toney, forskare vid SLAC National Accelerator Laboratory, nära Stanford University. ”De fastnar på ställen där de inte längre kan pendla tillbaka mellan anoden och katoden. Delar av anoden eller katoden kopplas elektroniskt bort från strömavtagaren. Det är den del av batteriet som samlar elektroner som går fram och tillbaka när du laddar och urladdar batteriet.”
Litiumjonerna färdas mellan elektroderna genom flytande kemikalier som kallas elektrolyter. Dessa elektrolyter är viktiga för hela verksamheten, men de genomgår också reaktioner med anoden som förkortar batteriets livslängd.
”Naturen vill tyvärr få den reaktionen att inträffa, så den kommer att inträffa”, säger Srinivasan. Allt som batteridesigners kan göra är att försöka hålla denna reaktion till ett minimum. ”Men det är inte perfekt. Det kommer tillbaka och biter dig.”
Sedan dess kommer de flesta människor förmodligen inte att märka något större problem, helt enkelt för att de inte behåller telefonen eller den bärbara datorn tillräckligt länge för att laddningssituationen ska bli riktigt allvarlig. Det kan finnas en nästan omedveten uppgivenhet om att det är dags att ge upp och använda den bärbara datorn som ett permanent anslutet skrivbord, eller en vag känsla av att telefonen inte verkar ha den batteritid som annonserades. Men om du inte planerar att behålla din elektronik mycket längre än tre år kommer det inte att vara en så stor sak.
Men hur är det med elbilar, som drivs av mycket större versioner av liknande litiumjonbatterier? De flesta som betalar mer än 70 000 dollar för en Tesla-bil vill att batteriet ska hålla laddningen i flera år, kanske till och med ett decennium eller längre. Om något så innebär elbilar unika problem med att hantera laddningen som hushållselektronik inte har.
”Typiskt sett vill man att bilen ska reagera på lämpligt sätt om man trampar på gaspedalen”, säger Toney. ”Det kan alltså driva batteriet mycket hårt under en kort tidsperiod. Det är vanligtvis inte den typ av urladdningar som man ser i en bärbar dator eller en mobiltelefon.”
Bortom regelbunden användning är alla batterier känsliga för fluktuerande temperatur, och vissa batterier i telefoner eller bärbara datorer är programmerade för att stängas av automatiskt om de blir för varma. Ett Tesla-batteri, som ungefär motsvarar 8 000 mobiltelefonbatterier, kan bli mycket varmare under användning. Och det är möjligt att laddningsstationen kommer att ligga på en kall plats, vilket skapar en potentiellt farlig temperatursvängning.
Det finns också frågan om hur snabbt ett elfordon behöver laddas. För tillfället nöjer sig många elbilsförare med att ladda sitt fordon över natten, vilket innebär att bilbatteriet kan återfå en laddning i en säker, långsam takt. Men en framtida infrastruktur för elbilar kommer att behöva motsvarigheten till bensinstationer – platser där förarna kan tanka bränsle under långa resor.
”Helst skulle vi vilja att elbilar laddas upp på närmare 15 minuter, vilket är vid den punkt som man kan föreställa sig att någon stannar in vid en laddningsstation, går på toaletten, tar en drink, och så är den laddad och redo att åka”, säger Toney. ”Det kräver mycket ström, och batterierna klarar inte av det ännu. De laddar inte till full kapacitet. Om du försöker ladda batteriet i den hastigheten kommer det att gå sönder snabbt.”
Litiumjonbatteriet är en anmärkningsvärd uppfinning, som hjälper till att driva på tekniska revolutioner i hur vi använder datorer, telefoner och så småningom även bilar. Men samma interna kemi som gör dem så idealiska för att driva våra oumbärliga apparater innebär också att deras tid är begränsad.
Att få batterier att hålla en laddning längre är en av de många grundläggande frågor som batteriforskare försöker ta itu med, oavsett om det innebär att man förbättrar den uppsättning som redan finns eller skapar något nytt och bättre.
I väntan på detta kan du överväga att följa Srinivasans råd: ”Lämna åtminstone inte din bärbara dator inkopplad!” Åtminstone för de av oss som inte redan har förstört datorns batteritid helt och hållet, det vill säga.