Warum verschlechtert sich die Akkulaufzeit mit der Zeit?

Ich bin sicher, Sie haben bemerkt, dass Sie einen merklichen Unterschied darin sehen, wie gut ein Telefonakku nach etwa einem Jahr geladen ist. Wenn Sie ein Telefon lange genug aufbewahren, ist der Akku möglicherweise nicht einmal ausreichend aufgeladen, um einen ganzen Tag zu überleben. Haben Sie sich jemals gefragt, warum?

Batterien: Wie funktionieren sie?

Strom ist nicht magisch. Tatsächlich ist es für die meisten von uns ein ziemlich langweiliges Thema und wir möchten, dass es nur dort ist, wo wir es brauchen. Aber um zu verstehen, warum Ihr Telefon jetzt mehr aufgeladen werden muss als zu Beginn, müssen Sie ein wenig über die Funktionsweise eines Akkus wissen. Keine Sorge, wir bleiben hier bei den Grundlagen.

Strom kann man wie jede Art von Energie nicht erzeugen. All die Dinge, die wir als "Stromerzeugung" betrachten, wandeln tatsächlich nur eine Energieform in eine andere um, und eine Batterie verwendet eine chemische Reaktion (Energie), um eine elektrische Ladung aufzubauen, die über die Zeit hinweg gemessen werden kann. Zum Aufbau dieser Ladung können verschiedene Materialien verwendet werden, die unterschiedliche Ergebnisse liefern. In unseren Handys verwenden wir Lithium-Batterien, da diese eine angemessene Leistung zu angemessenen Kosten bieten.

Die geschätzte Lebensdauer eines Telefonakkus ist genau das - eine Schätzung.

In einer Telefonbatterie befinden sich drei Komponenten, die für das, worüber wir sprechen, wichtig sind: eine negative Elektrode (als Anode bezeichnet und typischerweise aus Graphit hergestellt), eine positive Elektrode (als Kathode bezeichnet und aus einer Mischung von Lithium hergestellt) und andere Metalle) und eine Elektrolytlösung. Die Chemie zwischen diesen drei Dingen ist einfach und deshalb können sie verwendet werden, um Energie zu speichern. Wenn Sie die Elektroden (von Ihrem Ladegerät) aufladen, werden Lithiumionen positiv geladen und von der negativen Elektrode angezogen. Wenn Sie eine Ladung von der Batterie abziehen, verlieren diese Lithiumionen ihre positive Ladung und werden nicht mehr von der negativen Elektrode angezogen. Je länger Sie die gespeicherte Energie von einem geladenen Akku abziehen, desto mehr Lithium-Ionen werden nicht mehr geladen, bis nicht mehr genug vorhanden ist, um eine Leistung zu erzeugen, und der Akku leer ist. Durch Anschließen an ein Ladegerät wird dieser Zyklus zurückgesetzt.

"Zyklus" ist hier ein wichtiges Wort. Da Batterien so konstruiert sind, dass sie eine Ladung speichern, ist es schwierig, ihre Nutzungsdauer als Zeiteinheit zu messen. Eine Batterie, die für Sie zwei Jahre hält, kann für eine andere Person nur sechs Monate halten, da sie anders verwendet wird. Damit wir einschätzen können, wie lange sie voraussichtlich halten, wird die Batterielebensdauer durch Ladezyklen gemessen. Ein Telefonakku ist in der Regel für eine Lebensdauer von 500 bis 600 Zyklen ausgelegt. Als Zyklus wird das Laden eines vollständig entladenen Akkus auf 100% und das anschließende Entladen auf Null definiert. Das Laden eines Akkus, der noch zu 50% aufgeladen ist, und das anschließende Entleeren auf 50% ist ein Teilzyklus. Deshalb werden Sie aufgefordert, den Akku zu laden, bevor er fast leer ist, und es wird Ihnen auch das Gegenteil gesagt als Möglichkeiten, das System zu spielen und den 500. Zyklus abzuwehren. Natürlich funktioniert das nicht so, weil der Akku die Anzahl der Ladezyklen nicht zählt. Fünfhundert ist nur eine Schätzung.

Die Lebensdauer kann jedoch in Zyklen gemessen werden. Dies hängt davon ab, was beim Laden eines Akkus geschieht und wie sich dies auf zukünftige Ladezyklen auswirkt, wie viel Energie gespeichert werden kann und wie viel Spannung gespeichert werden kann (siehe Anzahl der Volt).

Oxidation und Effizienz hassen sich gegenseitig

Da Elektrofahrzeuge eine echte Sache sind und die Batterien, die sie verwenden, wahnsinnig teuer sind, wurden zahlreiche Studien durchgeführt, warum Lithium-Ionen-Batterien während ihrer Lebensdauer abbauen. Glücklicherweise gilt dies auch für die günstigeren (aber immer noch teuren!) Akkus in unseren Handys. Dies ist auf chemische Veränderungen zurückzuführen, die während des Ladens der Akkus auftreten.

Wir wissen, dass das Laden einer Batterie Lithiumionen positiv lädt, die dann magnetisch (Elektrizität ist Magnetismus) von der negativen Elektrode angezogen werden. Je mehr geladene Ionen angezogen werden, desto größer wird der Potentialunterschied zwischen der negativen und der positiven Elektrode. So messen Sie die Spannung - die Differenz der potentiellen Energie zwischen zwei Elektroden. Sobald ein bestimmter Wert erreicht ist, wird der Akku als voll aufgeladen betrachtet. Beim Entladen einer Batterie ist das Gegenteil der Fall und die Potentialdifferenz nimmt ab, bis sie Null erreicht, da an der negativen Elektrode keine positiv geladenen Ionen mehr vorhanden sind. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die negative Elektrode sauber und genauso ist wie vor dem Start.

Elektroden oxidieren. Ebenso wie Wasser und Luft Eisen rosten lassen können (daher kommt das Wort Oxidation), können Lithium-, Graphit- und Elektrolytsalze eine Elektrode oxidieren lassen. Wenn jedes positiv geladene Ion in einer Batterie von der Anode abgestreift wird, bleibt eine mikroskopische Partikelschicht zurück, die chemisch an die Graphitanode gebunden ist. Diese Partikel bestehen aus Lithiumoxidatomen (an Sauerstoff gebundenes Lithium) und Lithiumcarbonatatomen (an Kohlenstoff gebundenes Lithium), von denen keines die gleichen chemischen oder elektrischen Eigenschaften wie Graphit aufweist. Diese Schicht stört den Lade- / Entladezyklus und sowohl die Potentialdifferenz (Spannung) als auch die Anzahl der Ionen, die angezogen werden können, ändern sich. Schließlich sind die Änderungen genug, um zu bemerken. Wenn Sie den Akku weiterhin wie gewohnt verwenden und aufladen, ist der Punkt erreicht, an dem nicht genügend elektrische Energie für die Stromversorgung des Telefons gespeichert ist.

Das Laden einer Batterie verändert im Wesentlichen die Zusammensetzung der Elektroden und beeinflusst die Art und Weise, wie sie in Zukunft geladen wird.

Verschiedene Arten von Lithium-Zusammensetzungen sowie verschiedene Salze, die in der Elektrolytlösung verwendet werden, wirken sich darauf aus, wie viel dieser Ablagerungen auf der Elektrode zurückbleiben. Die Materialien, die für einen sauberen Kreislauf sorgen, sind jedoch nicht unbedingt die besten, da sie nicht so viel gespeicherten Strom liefern. Wir wollen Akkus mit hoher Kapazität und geringem Stromverbrauch in unseren Telefonen, weil sie sicherer sind als Akkus mit hohem Stromverbrauch (und weniger kosten) und wir möchten, dass sie unser Telefon so lange wie möglich mit Strom versorgen. Ein Elektrofahrzeug kann Hochleistungsbatterien mit hoher Kapazität verwenden, da diese durch einen soliden Rahmen geschützt sind und weniger wahrscheinlich beschädigt werden. Sie sind notwendig, weil ein Auto in der Lage sein muss, lange Strecken zwischen Ladungen zurückzulegen. Die Kosten für einen Ersatzakku für ein Tesla Model S betragen ebenfalls 12.000 US-Dollar. Ein Teil dieser Kosten entfällt auf die teuren Materialien für den Bau eines Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid-Akkus im Gegensatz zu den grundlegenden Lithium-Kobalt-Akkus, die in einem Telefon verwendet werden und nicht annähernd so viele Zyklen dauern, bis sie sich verschlechtern.

Spannung ist wichtig

Einer der größten Faktoren, der die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus beeinflussen kann, ist seine Spannung. Handys und Autos sind nicht die einzigen Dinge, die für den Betrieb mit wiederaufladbaren Lithiumbatterien entwickelt wurden, und das US-Energieministerium hat 2015 viel Geld und Zeit aufgewendet, um genau zu ermitteln, was Probleme verursacht und wie diese behoben werden können, da Satelliten Lithiumbatterien verwenden und Solarladegeräte. Studien ergaben, dass nach der Zusammensetzung der Batterie selbst die Ladespannung und die Spannung der gehaltenen Ladung der zweitgrößte Schuldige ist, der die Lebensdauer der Batterie beeinflussen kann.

Die Chemie, die eine Lithiumbatterie zum Funktionieren bringt, baut die Anode auf natürliche Weise ab, und darüber haben wir oben gesprochen. Wenn Sie jedoch eine Batterie mit mehr als 3, 9 Volt laden oder eine Ladung mit einer Potentialdifferenz von mehr als 3, 9 Volt speichern, geschieht die gleiche Verschlechterung mit der Kathode (positive Elektrode). Dies halbiert im Wesentlichen die Lebensdauer einer Batterie. Ladespannung und Haltespannung sind im Wesentlichen dasselbe, weil Sie alle Komponenten eines Akkus aufregen, aber beim Laden entsteht auch Wärme, und je höher die Ladespannung, desto heißer wird es. Wärme, die angewendet wird, wenn eine Batterie mit mehr als 3, 9 Volt angeregt wird, verschlechtert den Abbau der Kathode weiter.

Es gibt keine geheime Kabale von Batterieherstellern, die versuchen, uns zu überlisten. Es ist alles Chemie.

Mit anderen Worten, die Spannungen, die erforderlich sind, um ein modernes Telefon mit Strom zu versorgen und den Akku schnell aufzuladen, machen es fast unmöglich, Dinge zu "reparieren". Jeder, der eine batteriebetriebene Bohrmaschine hat, hat dies in Aktion gesehen. Die in einem Werkzeug verwendeten 12- oder 14-Volt-Batterien halten nicht annähernd so viele Zyklen wie die in unseren Handys. Sie speichern und arbeiten mit einer höheren Spannung, laden mit einer höheren Spannung und viel heißer und können bereits nach wenigen Ladezyklen spürbar beeinträchtigt werden. Sie verwenden die gleichen Lithium-basierten Basisbatterien wie ein Telefon, da die Verwendung der Materialien, die wir in einer Tesla S-Batterie sehen, sie teurer machen würde und sie nur keine sehr lange Lebensdauer haben. Gott sei Dank können wir die meisten Materialien recyceln und ertrinken nicht in einem Meer von Makita- und Porter-Cable-Altbatterien, deren Lithium teurer ist als Gold.

Die gute Nachricht ist, dass alle Unternehmen, die Lithiumbatterien herstellen, daran arbeiten, die Dinge zu verbessern. Wer die erste Batterie findet, die deutlich länger hält, verdient viel Geld damit. Alles, was wir tun können, ist, unsere Telefone aufzuladen, wenn sie aufgeladen werden müssen, und zu wissen, dass es keine Verschwörung zwischen den Batterieherstellern gibt, die uns dazu bringt, öfter neue Produkte zu kaufen.

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