מדוע חיי הסוללה מחמירים עם הזמן?

אני בטוח ששמת לב שאתה רואה הבדל בולט עד כמה טוב מצבר הטלפון מחייב טעינה לאחר כשנה. אם תשמור על טלפון מספיק זמן, ייתכן שהסוללה שלו אפילו לא תטען מספיק כדי לשרוד יום שלם. האם תהית אי פעם למה?

מצברים: איך הם עובדים?

חשמל אינו קסום. למעשה, זה נושא די משעמם עבור רובנו ואנחנו רק רוצים שהוא יהיה שם כשאנחנו צריכים להשתמש בו. אבל כדי להבין מדוע הטלפון שלך זקוק לטעינה יותר עכשיו מכפי שקיבל אותו לראשונה, אתה צריך לדעת קצת על אופן פעולת הסוללה. אל תדאגו, אנו הולכים להישאר עם היסודות כאן.

חשמל, כמו כל סוג של אנרגיה, אינו דבר שאתה יכול ליצור. כל הדברים שאנחנו חושבים עליהם כ"ייצור "חשמל הם בעצם רק ממירים צורה אחת של אנרגיה לאחרת, וסוללה משתמשת בתגובה כימית (אנרגיה) כדי לבנות מטען חשמלי שניתן למנות אותו לאורך זמן. ניתן להשתמש בחומרים שונים לבניית מטען זה והם יניבו תוצאות שונות. בטלפונים שלנו אנו משתמשים בסוללות מבוססות ליתיום מכיוון שהם מספקים רמת פלט הגונה בעלות סבירה.

אורך החיים של סוללת טלפון הוא בדיוק זה - הערכה.

בתוך סוללת טלפון תמצאו שלושה רכיבים החשובים למה שאנחנו מדברים עליהם: אלקטרודה שלילית (נקראת אנודה ובדרך כלל עשויה גרפיט), אלקטרודה חיובית (נקראת קתודה ועשויה מתערובת של ליתיום ומתכות אחרות), ופתרון אלקטרוליט. הכימיה בין שלושת הדברים הללו היא פשוטה בבסיסה וזו הסיבה שניתן להשתמש בהם לאגירת אנרגיה. כשמפעילים מטען על האלקטרודות (מהמטען שלך) יוני הליתיום נטענים באופן חיובי ונמשכים לאלקטרודה השלילית. כשמוציאים מטען מהסוללה יוני הליתיום האלה מאבדים את המטען החיובי שלהם ואינם נמשכים עוד לאלקטרודה השלילית. ככל שמושכים את האנרגיה המאוחסנת הרחק מסוללה טעונה, מספר יוני הליתיום שכבר אינם נטענים גדל עד שלא נשארו מספיק מהם לייצר פלט כלשהו והסוללה מתה. חיבורו למטען מאפס מחזור זה.

"מחזור" זו מילה חשובה כאן. מכיוון שהסוללות נועדו לאחסן טעינה, קשה למדוד את חייהן השימושיים כיחידת זמן. סוללה שנמשכת שנתיים עבורך עשויה להימשך רק חצי שנה עבור מישהו אחר מכיוון שהיא משמשת אחרת. בכדי שנוכל להעריך כמה זמן לצפות להם להחזיק מעמד, אורך החיים של הסוללה נמדד על ידי מחזורי טעינה. סוללת טלפון מתוכננת בדרך כלל להימשך כ 500 עד 600 מחזורים, ומחזור מוגדר כטעינה של סוללה מתה לחלוטין ל 100% ואז מרוקנת אותה לאפס שוב. טעינה של סוללה שנותרה עליה טעינה של 50%, ואז ניקוזה חזרה ל 50% זה מחזור חלקי, וזו הסיבה שתשמע אנשים אומרים לך לטעון את הסוללה שלך לפני שהיא תתחלל וגם תשמע אנשים שאומרים לך ההפך כדרכים לשחק במערכת ולמנוע את אותו מחזור 500. כמובן שזה לא עובד ככה מכיוון שהסוללה לא סופרת למעשה את מספר מחזורי הטעינה. חמש מאות זה רק הערכה.

אך ניתן למדוד אורך חיים במחזורים בגלל מה שקורה בעת טעינת מצבר וכיצד הוא משפיע על מחזורי טעינה עתידיים, על כמות האנרגיה שניתן לאחסן ואת הפוטנציאל (חשבו את מספר הוולטים) של המטען המאוחסן.

חמצון ויעילות שונאים זה את זה

מכיוון שכלי רכב חשמליים הם דבר אמיתי והסוללות בהן הם משתמשים יקרים להפליא, נעשו המון מחקרים שסביר מדוע סוללות ליתיום-יון מתפרקות במהלך חייהן. למרבה המזל, זה תקף גם לסוללות הפחות יקרות (אך עדיין יקרות!) שבטלפונים שלנו, וזה בגלל שינויים כימיים שקורים במהלך טעינת הסוללות.

אנו יודעים כי טעינת מצבר טעינה חיובי יוני ליתיום אשר אז הם מגנטיים (חשמל הוא מגנטיות) נמשכים לאלקטרודה השלילית. ככל שנמשכים יותר ויותר יוני טעונים, גדל הפרש הפוטנציאל בין האלקטרודה השלילית לאלקטרודה החיובית. ככה מודדים מתח - ההבדל בין אנרגיה פוטנציאלית בין שתי אלקטרודות. ברגע שהוא מגיע לקריאה ספציפית, הסוללה נחשבת טעונה במלואה. ההפך הוא הנכון בעת ​​פריקת מצבר והבדל הפוטנציאל פוחת עד שהוא מגיע לאפס מכיוון שלא קיימים יותר יוני טעונים חיוביים באלקטרודה השלילית. אבל זה לא אומר שהאלקטרודה השלילית נקייה וזהה בדיוק כמו שהיה לפני שהתחלתם.

אלקטרודות מתחמצנות. באותה דרך שמים ואוויר יכולים לגרום לברזל להחליד (מכאן באה המילה חמצון), מלחי ליתיום, גרפיט ואלקטרוליט יגרמו להתחמצנות של אלקטרודה. כאשר כל יון טעון באופן חיובי מורחק מהאנודה בסוללה, נותרה אחריה שכבה חלקיקית מיקרוסקופית והיא נקשרה כימית לאנודה הגרפיט. חלקיקים אלה עשויים אטומי ליתיום (ליתיום קשורים בחמצן) ומאטומי ליתיום פחמתי (ליתיום מלוכדים בפחמן), שלאף אחד מהם אין את אותם תכונות כימיות או חשמליות כמו גרפיט. שכבה זו מפריעה למחזור המטען / הפריקה וגם להבדל הפוטנציאל (מתח) וגם למספר היונים הטעונים שניתן למשוך בהם שינויים. בסופו של דבר, די בשינויים כדי לשים לב. אם אתה ממשיך להשתמש בסוללה וטעינה אותה כמו שהיה בדרך כלל, תגיע לנקודה בה אין מספיק אנרגיה חשמלית המאוחסנת בכדי להניע את הטלפון שלך.

טעינת מצבר משנה באופן מהותי את הרכב האלקטרודות ומשפיעה על אופן הטעינה שלה בעתיד.

לסוגים שונים של קומפוזיציות ליתיום, כמו גם מלחים שונים המשמשים בתמיסת האלקטרוליט, יש השפעה על כמה מההפקדות הללו נותרים מאחור על האלקטרודה. אבל החומרים שמייצרים מחזור נקי אינם בהכרח הטובים ביותר מכיוון שהם לא יכולים לספק כוח אחסון גדול ככל האפשר. אנו רוצים בסוללות בעלות הספק נמוך ונפח נמוך בטלפונים שלנו מכיוון שהן בטוחות יותר מסוללות בעלות הספק גבוה (ועלותן פחות) ואנחנו רוצים שהן יספקו כוח לטלפון שלנו כל עוד הן יכולות. רכב חשמלי יכול להשתמש בסוללות בעלות הספק גבוה, מכיוון שהן מוגנות על ידי מסגרת מוצקה ואינן צפויות להיפגע באותה מידה. הם נחוצים מכיוון שמכונית צריכה להיות מסוגלת לעבור מרחקים ארוכים בין המטענים. אך גם עלות סוללה חלופית לטסלה דגם S היא 12, 000 $. חלק מהעלות הזו נובעת מהחומרים היקרים המשמשים לבניית סוללת ליתיום-ניקל-קובלט-אלומיניום-תחמוצת לעומת סוללות הליתיום-קובלט הבסיסיות המשמשות בטלפון שאינן מחזיקות כמעט כמו מחזורים רבים לפני שהן משפילות.

חשוב מתח

אחד הגורמים הגדולים ביותר שיכולים להשפיע על מחזורים רבים שמסוללת ליתיום-יון תחזיק מעמד הוא המתח שלה. טלפונים ומכוניות אינם הדברים היחידים שנועדו להריץ על סוללות ליתיום נטענות, ובשנת 2015 משרד האנרגיה האמריקני השקיע הרבה כסף וזמן בכדי לראות בדיוק מה גורם לבעיות וכיצד ניתן להקל עליהן מכיוון שלוויינים משתמשים בסוללות מבוססות ליתיום. ומטענים סולאריים. מחקרים מצאו כי לאחר הרכב הסוללה עצמה, האשם הבא הגדול ביותר שיכול להשפיע על אורך החיים של הסוללה הוא מתח הטעינה ומתח המטען המוחזק.

הכימיה שגורמת לסוללת ליתיום עובדת באופן טבעי את האנודה, ועל זה דיברנו למעלה. אבל אם אתה טוען סוללה עם יותר מ -3.9 וולט, או אוגר מטען עם הפרש פוטנציאל הגבוה מ -3.9 וולט, אותה סוג של השפלה קורה לקתודה (אלקטרודה חיובית). זה בעצם חותך את אורך החיים של סוללה לחצי. מתח טעינה ומתח מוחזק הם למעשה אותו הדבר מכיוון שאתה מרגש את כל רכיבי הסוללה, אך הטעינה גם מכניסה חום, וככל שמתח הטעינה גבוה יותר הוא יהיה חם יותר. החום המופעל כאשר הסוללה נרגשת גבוה מ -3.9 וולט מחמיר עוד יותר את השפלה של הקתודה.

אין שום תאים סודיים של יצרני סוללות שמנסים לעודד אותנו; הכל כימיה.

במילים אחרות, המתחים הנחוצים להפעלת טלפון מודרני ולהטעינה מהירה של הסוללה פירושו שכמעט בלתי אפשרי "לתקן" דברים. כל מי שיש לו מקדחה המונעת באמצעות סוללה ראה זאת בפעולה. הסוללות של 12 או 14 וולט המשמשות בכלי אינן מחזיקות מעמד כמעט מחזורים רבים כמו אלו שבטלפונים שלנו. הם מאחסנים ופועלים במתח גבוה יותר, נטענים במתח גבוה יותר והרבה יותר חם, ויכולים להיות מושפעים באופן ניכר לאחר מספר מחזורי טעינה בלבד. הם משתמשים באותן סוללות בסיסיות בליתיום כמו בטלפון מכיוון שהשימוש בסוגי החומרים שאנו רואים בסוללת טסלה S היה מייקר אותם, ופשוט אין להם חיים ארוכים במיוחד. תודה לאל שאנחנו יכולים למחזר את רוב החומרים בהם ואנחנו לא טובעים בים של סוללות מקיטה ופורטר-כבלים שנזרקות, כאשר ליתיום יקר יותר מזהב.

החדשות הטובות הן שכל החברות שמייצרות סוללות ליתיום עובדות על שיפור הדברים. מי שיכול להגיע עם הסוללה הראשונה שנמשכת זמן רב משמעותית, ירוויח מזה הרבה כסף. כל מה שאנחנו יכולים לעשות הוא לטעון את הטלפונים שלנו כשצריך לטעון אותם, ולדעת שאין קשר כלשהו בין יצרני הסוללות כדי לגרום לנו לקנות מוצרים חדשים לעתים קרובות יותר.

לטלפונים אנדרואיד אלה חיי הסוללה הטובים ביותר