ทำไมแบตเตอรี่ถึงแย่ลงเมื่อเวลาผ่านไป?

ฉันแน่ใจว่าคุณสังเกตเห็นว่าคุณเห็นความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนว่าแบตเตอรี่โทรศัพท์เก็บประจุได้ดีแค่ไหนหลังจากผ่านไปหนึ่งปี หากคุณเก็บโทรศัพท์ไว้นานพอแบตเตอรี่อาจจะไม่ได้มีประจุเพียงพอที่จะอยู่รอดได้ทั้งวัน คุณเคยสงสัยไหมว่าทำไม

แบตเตอรี่: ทำงานอย่างไร

ไฟฟ้าไม่ได้วิเศษ ในความเป็นจริงมันเป็นเรื่องที่น่าเบื่อสำหรับพวกเราส่วนใหญ่และเราต้องการให้มันอยู่ที่นั่นเมื่อเราต้องการใช้มันเท่านั้น แต่เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมโทรศัพท์ของคุณจึงต้องชาร์จมากกว่าตอนนี้เมื่อคุณได้รับโทรศัพท์ครั้งแรกคุณต้องรู้นิดหน่อยว่าแบตเตอรี่ทำงานอย่างไร ไม่ต้องกังวลเราจะติดพื้นฐานที่นี่

ไฟฟ้าเช่นเดียวกับพลังงานทุกประเภทไม่ใช่สิ่งที่คุณสามารถสร้างได้ ทุกสิ่งที่เราคิดว่าเป็น "การสร้าง" ไฟฟ้าจริง ๆ แล้วแปลงพลังงานรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้นและแบตเตอรี่ใช้ปฏิกิริยาเคมี (พลังงาน) เพื่อสร้างประจุไฟฟ้าที่สามารถวัดได้เมื่อเวลาผ่านไป วัสดุต่าง ๆ สามารถใช้สร้างประจุนี้และพวกมันจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน ในโทรศัพท์ของเราเราใช้แบตเตอรี่ที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเพราะให้ผลผลิตในระดับที่เหมาะสมในราคาที่สมเหตุสมผล

อายุการใช้งานโดยประมาณของแบตเตอรี่โทรศัพท์เป็นเพียงแค่นั้น - การประมาณการ

ภายในแบตเตอรี่โทรศัพท์คุณจะพบส่วนประกอบสามอย่างที่สำคัญสำหรับสิ่งที่เรากำลังพูดถึง: ขั้วลบ (เรียกว่า ขั้วบวก และโดยทั่วไปทำจากกราไฟต์) ขั้วบวกขั้วบวก (เรียกว่า แคโทด และทำจากลิเทียมผสมกัน และโลหะอื่น ๆ) และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เคมีระหว่างสามสิ่งนี้เรียบง่ายที่ฐานและเป็นเหตุผลว่าทำไมพวกเขาจึงถูกนำมาใช้เพื่อเก็บพลังงาน เมื่อคุณทำการชาร์จประจุลิเธียมไอออนอิเล็กโทรด (จากเครื่องชาร์จของคุณ) จะมีประจุบวกและถูกดึงดูดไปยังขั้วลบ เมื่อคุณดึงประจุออกจากแบตเตอรี่ไอออนลิเธียมเหล่านี้จะสูญเสียประจุบวกและไม่ดึงดูดขั้วลบ ยิ่งคุณดึงพลังงานที่เก็บไว้ออกไปจากแบตเตอรี่ที่ชาร์จแล้วจำนวนไอออนลิเธียมที่ไม่ได้ชาร์จจะเพิ่มขึ้นอีกจนกว่าจะเหลือประจุไม่เพียงพอที่จะผลิตออกมาและแบตเตอรี่ก็จะตาย เสียบเข้ากับเครื่องชาร์จรีเซ็ตรอบนี้

"รอบ" เป็นคำสำคัญที่นี่ เนื่องจากแบตเตอรี่ได้รับการออกแบบมาเพื่อเก็บประจุจึงเป็นการยากที่จะวัดอายุการใช้งานของพวกเขาเป็นหน่วยของเวลา แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานสองปีสำหรับคุณอาจใช้เวลาเพียงหกเดือนสำหรับคนอื่นเพราะแบตเตอรี่นั้นใช้งานแตกต่างกัน เพื่อให้เราสามารถประมาณระยะเวลาที่คาดว่าจะอยู่ได้นานแบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานที่ยาวนานโดยการชาร์จรอบ โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่โทรศัพท์ได้รับการออกแบบให้มีอายุการใช้งานประมาณ 500 ถึง 600 รอบและรอบจะถูกกำหนดให้เป็นการชาร์จแบตเตอรี่ที่ตายแล้วทั้งหมดให้เป็น 100% จากนั้นจึงหมดให้เหลือศูนย์อีกครั้ง การชาร์จแบตเตอรี่ที่มีประจุเหลืออยู่ 50% จากนั้นการดูดกลับไป 50% เป็นวัฏจักรบางส่วนซึ่งเป็นสาเหตุที่คุณจะได้ยินเสียงคนบอกให้คุณชาร์จแบตเตอรี่ก่อนที่แบตเตอรี่จะเหลือน้อย เป็นวิธีในการเล่นเกมระบบและป้องกันรอบที่ 500 แน่นอนว่ามันไม่ทำงานเพราะแบตเตอรี่ไม่นับจำนวนรอบการชาร์จ ห้าร้อยเป็นเพียงการประมาณการ

แต่ สามารถ วัดอายุการใช้งานที่ยืนยาวได้เนื่องจากสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคุณชาร์จแบตเตอรี่และมีผลกระทบอย่างไรต่อรอบการชาร์จในอนาคตปริมาณพลังงานที่สามารถจัดเก็บได้และศักยภาพ (คิดว่าจำนวนโวลต์) ของประจุที่เก็บไว้

ออกซิเดชันและประสิทธิภาพเกลียดกัน

เนื่องจากยานพาหนะไฟฟ้าเป็นของจริงและแบตเตอรี่ที่ใช้มีราคาแพงมากมีการศึกษามากมายเกี่ยวกับสาเหตุที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสื่อมคุณภาพในช่วงชีวิตของพวกเขา โชคดีที่มันใช้กับแบตเตอรี่ที่มีราคาถูกกว่า (แต่ยังแพงอยู่!) ในโทรศัพท์ของเราและเป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่

เรารู้ว่าการชาร์จแบตเตอรี่จะทำการชาร์จประจุลิเธียมไอออนซึ่งเป็นสนามแม่เหล็ก (กระแสไฟฟ้าคือแม่เหล็ก) ดึงดูดให้กับขั้วลบ เมื่ออิออนประจุไฟฟ้าเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ความ แตกต่างของศักย์ไฟฟ้า ระหว่างขั้วลบกับขั้วลบบวกก็เพิ่มขึ้น นั่นคือวิธีที่คุณวัดแรงดันไฟฟ้า - ความแตกต่างของพลังงานศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าสองอัน เมื่อถึงการอ่านเฉพาะแบตเตอรี่จะถือว่ามีประจุเต็ม สิ่งที่ตรงกันข้ามคือความจริงในขณะที่ปล่อยแบตเตอรี่และความต่างศักย์ลดลงจนกว่าจะถึงศูนย์เพราะไม่มีประจุบวกที่ประจุลบอยู่ที่ขั้วลบ แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าขั้วลบนั้นสะอาดและเหมือนกับก่อนที่คุณจะเริ่ม

ขั้วไฟฟ้าออกซิไดซ์ ในทำนองเดียวกันน้ำและอากาศสามารถทำให้เหล็กเกิดสนิม (ซึ่งเป็นที่ที่คำว่าออกซิเดชันมาจาก), ลิเธียม, กราไฟต์และเกลืออิเล็กโทรไลต์จะทำให้อิเล็กโทรดจะออกซิไดซ์ เมื่อไอออนที่มีประจุบวกทุกตัวถูกแยกออกจากขั้วบวกในแบตเตอรี่จะมีชั้นอนุภาคขนาดเล็กที่ถูกทิ้งไว้ข้างหลังและถูกผูกมัดทางเคมีกับขั้วบวกของกราไฟท์ อนุภาคเหล่านี้ทำจากลิเธียมออกไซด์ (ลิเธียมที่ยึดกับออกซิเจน) อะตอมและลิเธียมคาร์บอเนต (ลิเธียมที่ถูกผูกมัดด้วยคาร์บอน) อะตอมซึ่งไม่มีคุณสมบัติทางเคมีหรือไฟฟ้าเหมือนกับกราไฟท์ เลเยอร์นี้รบกวนวงจรการชาร์จ / คายประจุและทั้งความต่างศักย์ (ศักย์ไฟฟ้า) และจำนวนไอออนที่มีประจุที่สามารถดึงดูดการเปลี่ยนแปลงได้ ในที่สุดการเปลี่ยนแปลงก็เพียงพอที่จะแจ้งให้ทราบ หากคุณยังคงใช้แบตเตอรี่และชาร์จแบตเตอรี่ตามปกติคุณจะไปถึงจุดที่มีพลังงานไฟฟ้าไม่เพียงพอที่จะเก็บไว้ในโทรศัพท์ของคุณ

การชาร์จแบตเตอรี่จะเปลี่ยนองค์ประกอบของอิเล็กโทรดและส่งผลต่อวิธีการชาร์จในอนาคต

องค์ประกอบของลิเธียมชนิดต่าง ๆ รวมทั้งเกลือที่ใช้ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์มีผลต่อปริมาณของสารตกค้างเหล่านี้ที่ตกค้างบนขั้วไฟฟ้า แต่วัสดุที่ทำเพื่อวงจรที่สะอาดไม่จำเป็นต้องดีที่สุดเพราะมันไม่สามารถให้พลังงานที่เก็บไว้ได้มากเท่าที่ควร เราต้องการแบตเตอรี่ความจุสูงและกำลังไฟต่ำในโทรศัพท์ของเราเพราะปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่พลังงานสูง (และราคาถูกกว่า) และเราต้องการให้แบตเตอรี่จ่ายไฟให้กับโทรศัพท์ของเราตราบเท่าที่ทำได้ ยานพาหนะไฟฟ้าสามารถใช้แบตเตอรี่ความจุสูงและพลังงานสูงเนื่องจากได้รับการป้องกันโดยเฟรมแข็งและไม่น่าจะได้รับความเสียหาย พวกมันจำเป็นเพราะรถยนต์จะต้องมีระยะทางไกลระหว่างประจุ แต่ราคาของแบตเตอรี่ทดแทนสำหรับ Tesla รุ่น S คือ $ 12, 000 เช่นกัน ค่าใช้จ่ายส่วนหนึ่งนั้นมาจากวัสดุราคาแพงที่ใช้สร้างแบตเตอรี่ลิเธียม - นิกเกิล - โคบอลต์ - อะลูมิเนียม - ออกไซด์เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม - โคบอลต์พื้นฐานที่ใช้ในโทรศัพท์ที่ไม่ได้อยู่ในสภาพเกือบรอบก่อนที่จะเสื่อมสภาพ

เรื่องแรงดันไฟฟ้า

หนึ่งในปัจจัยที่ใหญ่ที่สุดที่มีอิทธิพลต่อจำนวนรอบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่จะมีอายุการใช้งานคือแรงดันไฟฟ้า โทรศัพท์และรถยนต์ไม่ใช่สิ่งเดียวที่ออกแบบมาเพื่อใช้กับแบตเตอรี่ลิเธียมที่ชาร์จไฟได้และในปี 2558 กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาใช้เงินและเวลาเป็นจำนวนมากในการดูว่าอะไรที่ทำให้เกิดปัญหาและวิธีการลดลงเพราะดาวเทียมใช้แบตเตอรี่ลิเธียม และเครื่องชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ การศึกษาพบว่าหลังจากองค์ประกอบของแบตเตอรี่ตัวเองผู้กระทำผิดที่ใหญ่ที่สุดต่อไปที่สามารถส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่คือแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จและแรงดันไฟฟ้าของประจุ

เคมีที่ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมทำงานเป็นปกติจะทำให้ขั้วบวกเสื่อมสภาพและนั่นคือสิ่งที่เราพูดถึงข้างต้น แต่ถ้าคุณชาร์จแบตเตอรี่ที่มีมากกว่า 3.9 โวลต์หรือเก็บประจุที่มีความต่างศักย์สูงกว่า 3.9 โวลต์การสลายตัวแบบเดียวกันจะเกิดขึ้นกับขั้วลบ (ขั้วบวก) สิ่งนี้จะลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลงครึ่งหนึ่ง แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จและแรงดันไฟฟ้าที่ถือเป็นสิ่งเดียวกันเพราะคุณตื่นเต้นกับส่วนประกอบทั้งหมดของแบตเตอรี่ แต่การชาร์จยังแนะนำความร้อนและแรงดันการชาร์จก็จะยิ่งร้อนแรงขึ้นเท่านั้น ความร้อนถูกนำไปใช้เมื่อแบตเตอรี่มีความตื่นเต้นสูงกว่า 3.9 โวลท์ต่อการเสื่อมสภาพของแคโทด

ไม่มีพันธมิตรลับของผู้ผลิตแบตเตอรี่ที่พยายามขนแกะเรา มันคือเคมีทั้งหมด

กล่าวอีกนัยหนึ่งแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับเปิดเครื่องโทรศัพท์ที่ทันสมัยและชาร์จแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วหมายความว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะ "แก้ไข" สิ่งต่าง ๆ ทุกคนที่มีการฝึกซ้อมโดยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ได้เห็นสิ่งนี้ในทางปฏิบัติ แบตเตอรี่ 12 หรือ 14 โวลต์ที่ใช้ในเครื่องมือนั้นไม่ได้อยู่ในวงจรเกือบเท่าแบตเตอรี่ในโทรศัพท์ของเรา พวกเขาจัดเก็บและทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นชาร์จที่แรงดันที่สูงขึ้นและร้อนขึ้นมากและสามารถได้รับผลกระทบอย่างเห็นได้ชัดหลังจากผ่านไปเพียงไม่กี่รอบการชาร์จ พวกเขาใช้แบตเตอรี่ลิเธียมขั้นพื้นฐานแบบเดียวกันกับโทรศัพท์เพราะการใช้วัสดุหลายประเภทที่เราเห็นในแบตเตอรี่ Tesla S จะทำให้พวกเขามีราคาแพงกว่าและพวกเขาก็มีอายุการใช้งานไม่นานนัก ขอบคุณพระเจ้าที่เราสามารถรีไซเคิลวัสดุส่วนใหญ่ในพวกเขาได้และเราไม่ได้จมน้ำในทะเลที่ทิ้งแบตเตอรี่ Makita และ Porter-Cable ด้วยลิเธียมซึ่งมีราคาแพงกว่าทองคำ

ข่าวดีก็คือทุก บริษัท ที่ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงสิ่งต่าง ๆ ให้ดีขึ้น ใครก็ตามที่สามารถเกิดขึ้นกับแบตเตอรี่ก้อนแรกที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นอย่างมีนัยสำคัญจะทำให้เงินจำนวนมากจากมัน สิ่งที่เราทำได้คือชาร์จโทรศัพท์ของเราเมื่อพวกเขาต้องทำการชาร์จและรู้ว่าไม่มีการสมรู้ร่วมคิดระหว่างผู้ผลิตแบตเตอรี่เพื่อให้เราซื้อผลิตภัณฑ์ใหม่บ่อยขึ้น

โทรศัพท์ Android เหล่านี้มีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ดีที่สุด