چرا شارژدهی باتری ها به مرور زمان کمتر می شود؟

قطعا متوجه شده‌اید که تفاوت قابل توجهی در میزان شارژدهی باتری گوشی پس از استفاده یک ساله یا کمی بیشتر از آن وجود دارد. اگر برای مدت زیادی تلفن‌تان را نگه داشته‌اید ممکن است باتری آن توانایی شارژدهی لازم حتی برای استفاده یک روز کامل را هم نداشته باشد. اما دلیل این اتفاق چیست؟

باتری‌ها چگونه کار می‌کنند؟

در این مقاله وارد جزییات خسته کننده علمی نمی‌شویم، اما برای درک اینکه چرا پس از مدتی استفاده، تلفن‌های همراه نسبت به زمانی که به تازگی آنها را خریداری می‌کنیم به دفعات بیشتری شارژ کردن نیاز دارند، باید کمی درباره‌ی اصول اولیه‌ی نحوه‌ی عملکرد باتری‌ها بدانیم.

الکتریسیته مثل تمام انواع دیگر انرژی چیزی نیست که بتوان تولید کرد. همه‌ی فعالیت‌هایی را که ما به عنوان "تولید" برق می‌شناسیم، فقط تبدیل یک نوع انرژی به نوع دیگر است.

در باتری‌ها از یک واکنش شیمیایی (انرژی) برای ایجاد بار‌ الکتریکی استفاده می‌شود که می‌تواند در طول زمان اندازه‌گیری شود. برای تولید این انرژی می‌توان از مواد مختلف استفاده کرد که منجر به نتایج مختلفی خواهد شد. در تلفن‌ها‌ی همراه به دلیل بازده مناسب به نسبت قیمت از باتری‌های مبتنی بر لیتیوم استفاده می‌شود.

باتری تلفن همراه از سه جزء مهم تشکیل شده ‌است؛ یک الکترود منفی (به نام آند که معمولا از گرافیت ساخته شده است)، یک الکترود مثبت (به نام کاتد که از ترکیب لیتیوم و دیگر فلزات ساخته شده است) و محلول الکترولیت.

اساس واکنش شیمیایی بین این سه قسمت ساده است و به همین دلیل است که می‌توان آنها را برای ذخیره انرژی استفاده کرد، هنگامی که الکترودها را شارژ می‌کنید (از طریق شارژر) یون‌های لیتیوم بار مثبت می‌گیرند و به الکترود منفی جذب می‌شوند.

هنگامی که باتری را از شارژر جدا می‌کنید این یون‌های لیتیوم شروع به از دست دادن بار مثبت خود می‌کنند و دیگر به الکترود منفی جذب نمی‌شوند. هر قدر انرژی ذخیره شده بیشتری را از یک باتری شارژ شده استفاده کنید، تعداد یون‌های لیتیوم که بار مثبت را از دست داده‌اند افزایش می‌یابد تا زمانی که دیگر تعداد آنها برای تولید انرژی خروجی کافی نیست و باتری کاملا تخلیه ‌می‌شود و اتصال دوباره آن به شارژر این چرخه را بازنشانی می‌کند.

این چرخه بسیار مهم است، از آنجایی که باتری‌ها برای ذخیره شارژ طراحی شده‌اند، اندازه‌گیری مدت عمر آنها دشوار است امکان دارد یک نوع باتری که دو سال برای شما کار کرده است فقط شش ماه برای فرد دیگری کار کند چرا که نحوه استفاده از باتری متفاوت بوده است؛ بنابراین می‌توان به جای تخمین طول عمر باتری بر اساس زمان از تعداد چرخه استفاده کرد.

باتری تلفن‌ها معمولا برای حدود ۵۰۰ تا ۶۰۰ چرخه طراحی می‌شود و یک چرخه به صورت شارژ باتری کاملا خالی به ۱۰۰ درصد و پس از آن تخلیه مجدد تا صفر تعریف شده است.

 شارژ کردن کامل یک باتری که ۵۰ درصد شارژ دارد و سپس تخلیه‌ی مجدد آن تا ۵۰ درصد یک چرخه‌ی جزئی است، به همین دلیل است که توصیه‌هایی مبنی بر شارژ کردن یا نکردن باتری قبل از اینکه کاملا خالی شود می‌شنویم تا طول عمر باطری و این چرخه کمی بیشتر شود. با این حال قطعا باتری تعداد دفعات شارژ شدن را نمی‌شمارد و همه‌ی این اعداد ۵۰۰ یا ۶۰۰ تخمینی هستند.

شارژ شدن باتری، مقدار شارژی که می‌تواند ذخیره کند، نحوه‌ی استفاده از آن و اختلاف پتانسیل موجود (ولتاژ) در آن روی چرخه‌ی شارژ بعدی تاثیر گذار است.

اکسیداسیون و بهره‌وری کاملا در تضاد هستند

از آنجا که وسایل نقلیه الکتریکی در حال گسترش و باتری‌هایی که استفاده می‌کنند بسیار گران هستند، تحقیقات زیادی در مورد اینکه چرا باتری‌های لیتیوم یون در طول عمر خود تحلیل می‌روند انجام شده است؛ این امر در مورد باتری‌های با قیمت کمتر (اما هنوز هم گران قیمت) مورد استفاده در تلفن‌های ما هم اعمال ‌شده و دلیل آن تغییرات شیمیایی است که در هنگام شارژ باتری اتفاق می‌افتد.

شارژ کردن باتری به یون‌های لیتیوم بار مثبت می‌دهد تا به وسیله‌ی انرژی مغناطیسی (الکتریسیته هم خاصیت مغناطیسی دارد) به الکترودهای منفی جذب شود. هنگامی که تعداد زیادی از یون‌های شارژ شده جذب می‌شوند اختلاف پتانسیل بین الکترود‌های مثبت و منفی بیشتر می‌شود، این اختلاف پتانسیل با واحدی به نام ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود و مشخصات ثبت شده روی باتری مربوط به اختلاف پتانسیل در زمان شارژ کامل است.

در حین تخلیه باطری مخالف این جریان اتفاق می‌افتد و اختلاف پتانسیل کاهش می‌یابد تا آنکه به صفر برسد زیرا دیگر یونی با بار مثبت از الکترود منفی منتقل نمی‌شود. اما این بدان معنا نیست که الکترود منفی کاملا عاری از یون‌های لیتیوم می‌شود.

الکترودهای باتری هم اکسید می‌شوند، به همان شیوه که آب و هوا می‌تواند موجب زنگ زدگی آهن (که موجب شکل گیری مطالعات اکسیداسیون درجهان شد) شود، لیتیوم، گرافیت و نمک‌های الکترولیتی باعث اکسایش الکترود می‌شوند. وقتی که هریک از یون‌های مثبت از آند جدا می‌شود، لایه میکروسکوپی از ذرات جامانده با پیوند شیمیایی به آند گرافیتی متصل شده و رسوب می‌کنند.

این ذرات از اتم‌های لیتیوم اکسید (لیتیوم متصل به اکسیژن) و کربنات لیتیوم (لیتیوم متصل به کربن) ساخته شده‌اند و هیچ کدام از آنها خواص شیمیایی و الکتریکی مشابه‌ با گرافیت ندارند؛ این لایه باعث تداخل در چرخه شارژ و تخلیه می‌شود و اختلاف پتانسیل (ولتاژ) و تعداد یون‌های شارژ شده که می‌توانند جذب شوند را تغییر می‌دهد و در نهایت این تغییرات به حدی خواهد رسید که هنگام شارژ و استفاده از باتری انرژی الکتریکی کافی برای روشن شدن گوشی ذخیره نخواهد شد.

شارژ کردن باتری اساسا ترکیب الکترودها را تغییر می‌دهد و در آینده موجب بروز مشکلاتی در شارژدهی می‌شود.

انواع مختلف ترکیبات لیتیوم و همچنین نمک‌های مختلفی که در محلول الکترولیت استفاده می‌شود روی مقدار این رسوب‌های جا مانده روی الکترود تاثیرگذار هستند همچنین موادی که برای یک چرخه تمیز کننده استفاده می‌شوند لزوما بهترین نتیجه را نمی‌دهند، زیرا نمی‌توانند قدرت ذخیره‌سازی باتری را کاملا احیا کنند. واکنش‌های شیمیایی بین فلزات و مواد شیمایی موجود در باتری به مرور زمان موجب تحلیل رفتن قسمت‌های فلزی می‌شود و متاسفانه نمی‌توان جلوی این فرایند را گرفت.

در تلفن‌های همراه از باتری‌های با ظرفیت بالا و قدرت کم استفاده می‌شود، ​​زیرا امنیت بیشتر و قیمت کمتری نسبت به باتری‌های با قدرت بالا دارند و باید برای زمان زیادی شارژدهی کنند.

یک وسیله نقلیه‌ی الکتریکی می‌تواند از باتری‌های با ظرفیت و قدرت بالا استفاده کند چرا که آنها توسط یک پوشش جامد محافظت می‌شوند و آسیب‌پذیر نیستند. یک خودرو الکتریکی نیز باید بتواند فاصله‌ی زیادی بین شارژ مجدد طی کند، اما برای مثال هزینه‌ی جایگزینی باتری برای خودرو تسلا مدل اس حدود ۱۲۰۰۰ دلار است، بخشی از این هزینه‌ها به‌خاطر مواد گران قیمت مورد استفاده برای ساخت یک باتری لیتیوم نیکل-کبالت-آلومینیوم‌اکسید در مقایسه باتری‌های لیتیوم کبالت اولیه که در گوشی استفاده می‌شود است که طول عمر چرخه شارژ آنها چندین برابر بیشتر از باتری تلفن‌ها خواهد بود.

ولتاژ مهم است

یکی از بزرگترین عوامل که روی چرخه‌ی شارژ باتری لیتیوم یونی اثر گذار است ولتاژ آن است. از آنجا که گوشی‌ها و خودروها تنها وسایلی نیستند که از باتری‌های لیتیوم قابل شارژ استفاده می‌کنند، در سال ۲۰۱۵ وزارت انرژی ایالات متحده مقدار زیادی پول و زمان صرف کرد تا متوجه شود دقیقا چه چیزی باعث این مشکلات و چه راهی باعث کاهش آنها می‌شود زیرا ماهواره‌ها از باتری‌های لیتیوم و شارژر خورشیدی استفاده می‌کنند.

پس از ترکیبات تشکیل دهنده باتری، بزرگترین مسئله‌ای که می‌تواند طول عمر باتری را تحت تاثیر قرار دهد، ولتاژ شارژ و ولتاژ تخلیه است.

واکنش شیمیائی که موجب کارکرد باتری لیتیومی می‌شود به طور طبیعی آند را تخریب می‌کند که در مورد آن توضیح دادیم. اما اگر باتری را با ولتاژ بیش از ۳.۹ ولت شارژ کنیم یا انرژی را با اختلاف پتانسیل بالاتر از ۳.۹ ولت ذخیره کنیم، تخریب یکسانی در کاتد (الکترودهای مثبت) اتفاق می‌افتد که طول عمر باتری را نصف می‌کند.

ولتاژ شارژ و ولتاژ تخلیه در باتری اساسا یکسان است.

 با افزایش ولتاژ همه اجزای باتری برانگیخته خواهند شد که این امر موجب افزایش گرما می‌شود. هنگامی که یک باتری با بیش از ۳.۹ ولت شارژ شود دمای آن افزایش پیدا کرده و تخریب کاتد را بدتر می‌کند.

خوشبختانه می‌توان بسیاری از مواد مورد نیاز در تولید باطری‌ها را بازیافت کرد در غیر این صورت فقط تامین باطری‌های مورد نیاز شرکت‌های ساخت ابزارهای کار شارژی باعث می‌شد تا لیتیوم از طلا هم گرانتر شود.

خبر خوب این است که همه شرکتهای تولید کننده باتری لیتیومی در حال تلاش برای بهتر کردن محصولات خود هستند. هر شرکتی که بتواند اولین باتری را که به طور قابل ملاحظه‌ای شارژدهی طولانی‌تر داشته باشد تولید کند قطعا درآمد بسیار خوبی از آن خواهد داشت. در حال حاضر تنهای کاری که می‌توان انجام داد این است که گوشی‌های هوشمند را تا زمانی که نیاز باشد شارژ کرد با علم به این که بین تولیدکنندگان باتری توطئه‌ای وجود ندارد که ما را به خرید محصولات جدید مجبور کند.