- Костянтин Іванов за матеріалами androidcentral.com Кожен з нас помічав, як велика різниця між...
- Закляті вороги - окислення і енергоефективність
- Напруга має значення
Костянтин Іванов
за матеріалами androidcentral.com
Кожен з нас помічав, як велика різниця між тим, як тримає заряд новенький смартфон і як - апарат, який прожив рік або більше. І якщо ваш пристрій служить вам вже досить довго, воно може не жити від однієї зарядки і повного дня. Чому так відбувається?
Акумулятор: як це працює?
Ніякої магії тут немає, тільки електрику. Для того, щоб зрозуміти, чому тепер вам частіше потрібно заряджати смартфон, спочатку треба в найзагальніших рисах розібратися, як взагалі працює акумулятор.
Електрика, як і будь-яка енергія - це не те, що можна просто взяти і створити. Те, що ми називаємо «виробляти електрику», це всього лише переклад одного виду енергії в інший. В акумуляторі використовується хімічна реакція, щоб створити електричний заряд, який з часом може бути виміряний. Для створення цього заряду можуть використовуватися різні матеріали, і вони дадуть різний результат. У наших смартфонах використовуються акумулятори на основі літію, оскільки вони виробляють достатньо енергії при прийнятній вартості.
Усередині акумулятора смартфона ви знайдете три важливих для нашої розмови компонента. Це негативний електрод (називається анодом і зазвичай робиться з графіту), позитивний електрод (називається катодом і зроблений зі сплаву літію та інших металів) і розчин електроліту. Реакція, яка відбувається за участю цих трьох компонентів, проста в своїй основі і дозволяє використовувати їх для накопичення енергії. Коли ви заряджаєте електроди (в процесі використання зарядного пристрою), іони літію отримують позитивний заряд і притягаються до негативно зарядженого електроду. Коли ви знімаєте смартфон з заряду, ці іони літію починають втрачати свій позитивний заряд і перестають притягатися до негативно зарядженого електроду. Чим довше ви витрачаєте енергію зарядженої батареї, тим більше збільшується кількість іонів літію, які позбавлені заряду. Так відбувається до моменту, коли заряджених іонів не залишається в кількості, достатній для того, щоб акумулятор видавав хоч якусь енергію, і тоді він виявляється вирядженим. Потім ми знову ставимо смартфон на зарядку, і цикл повторюється.
«Цикл» тут є дуже важливим поняттям. Акумулятори створюються для того, щоб зберігати енергію, і виміряти термін їх служби в одиницях часу дуже складно. Наприклад, у вас батарея прослужить два роки, а у кого-то - всього півроку, тому що вона буде по-різному використовуватися. Так що ми можемо тільки припускати, скільки проживе акумулятор, а термін цей буде вимірюватися в циклах заряду. Звичайний акумулятор в смартфоні розроблений так, щоб витримати близько 500 - 600 циклів (цикл визначається як заряд повністю розрядженого акумулятора до 100% і потім розряд його до нуля). Заряд наполовину рязряженного акумулятора, а потім розряд його до 50% - це неповний цикл, ось чому вам рекомендують заряджати смартфон до того, як він розрядиться в нуль, а також не радять намагатися обдурити систему таким чином і відсунути наступ того самого, 500-го циклу. Звичайно, це так не працює, оскільки ваш акумулятор не веде підрахунок циклів заряду. П'ять сотень - це приблизна оцінка.
Однак термін служби може вимірюватися в циклах, беручи до уваги те, що відбувається, коли ви заряджаєте батарею, і то, як це впливає на наступні цикли заряду, кількість енергії, яке акумулятор може накопичити, і можлива напруга.
Закляті вороги - окислення і енергоефективність
Електромобілі - вже реальність, а акумулятори, які в них використовуються, шалено дорогі. Тому проводилося безліч досліджень на тему того, чому літій-іонні батареї деградують з часом. Результати застосовні і до менш дорогим (але все ж недешевим!) Батареям наших смартфонів. І виною всьому хімічні зміни, які відбуваються під час зарядки.
Отже, ми знаємо, що при заряді акумулятора іони літію отримують позитивний заряд і притягаються до негативного електроду. У міру того, як притягається все більше і більше заряджених іонів, збільшується різниця потенціалу між позитивним і негативним електродом, відома як напруга. Коли вона досягає певного значення, акумулятор вважається повністю зарядженим. Коли акумулятор розряджається, відбувається протилежний процес: різниця потенціалу зменшується, поки не досягне нуля, оскільки на негативному електроді більше не залишається позитивно заряджених іонів. Але це не означає, що негативний електрод залишається таким же, яким був до початку процесу.
Електроди окислюються. Точно так же вода і повітря змушують залізо іржавіти. Літій, графіт і солі електроліту змушують електрод окислюватися. Коли кожен позитивно заряджений іон відділяється від анода, він залишає після себе мікроскопічний шар частинок, який хімічно з'єднаний з графітовим анодом. Це частинки, що складаються з атомів оксиду літію і карбонату літію, ні у одного з цих речовин немає таких же хімічних або електричних властивостей, що у графіту. Цей шар заважає під час циклу заряду / розряду, змінюючи різницю потенціалу (напруга) і кількість заряджених іонів, які здатний залучити електрод. Очевидно, зміни будуть помітними. Якщо ви продовжите використовувати акумулятор і заряджати його, як ви зазвичай це робите, настане момент, коли він не зможе накопичити достатньо енергії, щоб включити ваш смартфон.
Різні види сплавів літію, як і різні солі, які використовуються в розчині електроліту, впливають на те, наскільки багато таких частинок залишається на електроді, але матеріали, які забезпечують більш чистий цикл, необов'язково є найкращими, оскільки вони не можуть забезпечити достатнього накопичення енергії. У смартфонах нам потрібні акумулятори з великою ємністю і малим витратою енергії, оскільки вони безпечніше, ніж більш потужні батареї, і коштують менше, а нам потрібно, щоб вони забезпечували енергією наші пристрої якомога довше. В електричному транспорті можна використовувати дуже ємні і дуже потужні акумулятори, оскільки вони захищені міцним корпусом, з меншою ймовірністю будуть пошкоджені, а машині між зарядками потрібно проїхати велику відстань. Однак вартість заміни акумулятора для автомобіля Tesla моделі S - $ 12 000. Частково причина такої ціни криється в вартості матеріалів, які потрібні для виготовлення літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидного акумулятора, на відміну від звичайного літій-кобальтового акумулятора в смартфоні, яка не розрахований на таку ж кількість циклів.
Напруга має значення
Один з найважливіших факторів, що впливають на кількість циклів, які може пропрацювати літій-іонний акумулятор, це його напруга. Телефони та автомобілі - не єдина область застосування літієвих батарей, в США в 2015 Департамент енергетики витратив багато часу і коштів, щоб розібратися, чим пов'язані проблеми і як їх вирішити - адже в супутниках використовуються акумулятори на основі літію і сонячні елементи. І крім конструкції акумулятора, негативним фактором, що впливає на термін служби, виявилося номінальну напругу заряду і номінальну напругу самого акумулятора.
Хімічний процес, завдяки якому працює літієвий акумулятор, призводить до деградації анода, як говорилося вище. Але якщо ви заряджаєте акумулятор під напругою понад 3.9 В, схожа деградація відбувається і з катодом, що наполовину скорочує термін служби акумулятора. Напруга заряду і напруга акумулятора по суті є одним і тим же, оскільки порушуються всі компоненти батареї, а крім того, зарядка викликає нагрівання, і чим більше напруга заряду, тим більше буде нагрів. Нагрівання, яке відбувається, коли збудливу акумулятор напруга перевищує 3.9 В, підсилює деградацію катода.
Іншими словами, напруга, яке потрібно для сучасного телефону, щоб швидко зарядити його батарею, робить проблему нерозв'язною. Це видно кожному, хто використовує дриль на батарейках. 12 або 14-вольт батарейки в інструменті навіть близько не живуть стільки ж, скільки ті, що використовуються в наших телефонах. Вони мають більшу напругу, заряджаються під великою напругою, вони набагато гаряче і помітно псуються всього лише через кілька циклів. Це ті ж самі прості акумулятори на основі літію, як і в телефоні, оскільки якщо використовувати матеріали, як в батареях Tesla S, це буде занадто дорого, і довго вони не прослужать. На щастя, велика частина матеріалів йде в переробку, і ми не тонемо в батареях від електроінструменту, в яких літій коштує дорожче золота.
Хороша новина: компанії, які виробляють літієві акумулятори, намагаються поліпшити ситуацію. Той, кому вдасться створити батарею, яка зможе служити помітно довше, заробить багато грошей. А нам залишається тільки заряджати наші телефони тоді, коли вони цього потребують, і розуміти, що немає ніякої змови виробників акумуляторів з метою змусити нас частіше купувати нові пристрої.
Чому так відбувається?Акумулятор: як це працює?
