Basado en materiales de androidcentral.com
Cada uno de nosotros notó cuán grande es la diferencia entre cómo un teléfono inteligente nuevo mantiene una carga y cómo un dispositivo que ha vivido durante un año o más. Y si su dispositivo le ha estado sirviendo durante mucho tiempo, es posible que no funcione con una sola carga y un día completo. ¿Por qué sucede?
Batería: ¿cómo funciona?
Aquí no hay magia, solo electricidad. Para comprender por qué ahora necesita cargar su teléfono inteligente con más frecuencia, primero debe comprender en los términos más generales cómo funciona la batería en general.
La electricidad, como cualquier otra energía, no es algo que pueda simplemente tomar y crear. Lo que llamamos “producir electricidad” es simplemente la transferencia de un tipo de energía a otro. Una batería utiliza una reacción química para crear una carga eléctrica que se puede medir con el tiempo. Se pueden utilizar varios materiales para crear esta carga y darán resultados diferentes. Nuestros teléfonos inteligentes utilizan baterías de litio porque producen suficiente energía a un costo asequible.
Dentro de la batería del teléfono inteligente, encontrará tres componentes que son importantes para nuestra conversación. Este es un electrodo negativo (llamado ánodo y generalmente está hecho de grafito), un electrodo positivo (llamado cátodo y está hecho de una aleación de litio y otros metales) y una solución de electrolito. La reacción que tiene lugar con la participación de estos tres componentes es simple en su esencia y te permite usarlos para la acumulación de energía. Cuando carga los electrodos (mientras usa el cargador), los iones de litio se cargan positivamente y son atraídos por el electrodo cargado negativamente. Cuando saca su teléfono inteligente de la carga, estos iones de litio comienzan a perder su carga positiva y dejan de ser atraídos por el electrodo cargado negativamente. Cuanto más tiempo agote la energía de una batería cargada, más aumentará la cantidad de iones de litio que están desprovistos de carga. Esto sucede hasta el momento en que no quedan iones cargados en una cantidad suficiente para que la batería produzca al menos algo de energía, y luego resulta que se descarga. Luego volvemos a cargar el teléfono inteligente y el ciclo se repite.
El “ciclo” es un concepto muy importante aquí. Las baterías están diseñadas para almacenar energía y es muy difícil medir su vida útil en unidades de tiempo. Por ejemplo, su batería durará dos años, y para alguien solo durará seis meses, porque se usará de diferentes maneras. Por lo tanto, solo podemos asumir cuánto tiempo vivirá la batería, y este período se medirá en ciclos de carga. La batería típica de un teléfono inteligente está diseñada para soportar entre 500 y 600 ciclos (un ciclo se define como cargar una batería completamente descargada al 100% y luego descargarla a cero). Cargar una batería medio descargada y luego descargarla al 50% es un ciclo incompleto, por lo que se recomienda cargar su teléfono inteligente antes de que se descargue a cero, y también se recomienda no intentar engañar al sistema de esta manera y retrasar el inicio del 500 ° ciclo. Por supuesto, no funciona de esa manera, ya que su batería no realiza un seguimiento de los ciclos de carga. Quinientos es una estimación aproximada.
Sin embargo, la vida útil se puede medir en ciclos, teniendo en cuenta lo que sucede cuando carga la batería y cómo esto afecta a los ciclos de carga posteriores, la cantidad de energía que la batería puede almacenar y el voltaje potencial.
Enemigos jurados: oxidación y eficiencia energética
Los coches eléctricos ya son una realidad y las baterías que utilizan son increíblemente caras. Por lo tanto, ha habido mucha investigación sobre por qué las baterías de iones de litio se degradan con el tiempo. Los resultados se aplican a las baterías menos costosas (¡pero aún costosas!) De nuestros teléfonos inteligentes. Y el culpable son los cambios químicos que ocurren durante la carga.
Entonces, sabemos que cuando la batería está cargada, los iones de litio obtienen una carga positiva y son atraídos por el electrodo negativo. A medida que se atraen más y más iones cargados, aumenta la diferencia de potencial entre los electrodos positivo y negativo, conocida como voltaje. Cuando alcanza un cierto valor, la batería se considera completamente cargada. Cuando la batería se descarga, ocurre el proceso opuesto: la diferencia de potencial disminuye hasta llegar a cero, ya que no quedan más iones cargados positivamente en el electrodo negativo. Pero esto no significa que el electrodo negativo siga siendo el mismo que estaba antes del inicio del proceso.
Los electrodos están oxidados. Asimismo, el agua y el aire oxidan el hierro. Las sales de litio, grafito y electrolitos hacen que el electrodo se oxide. Cuando cada ión cargado positivamente se separa del ánodo, deja una capa microscópica de partículas que está unida químicamente al ánodo de grafito. Estas son partículas compuestas por átomos de óxido de litio y carbonato de litio, ninguna de estas sustancias tiene las mismas propiedades químicas o eléctricas que el grafito. Esta capa interfiere durante el ciclo de carga / descarga al cambiar la diferencia de potencial (voltaje) y la cantidad de iones cargados que el electrodo puede atraer. Obviamente, los cambios se notarán. Si continúa usando la batería y la carga como lo haría normalmente, llegará un punto en el que no podrá almacenar suficiente energía para encender su teléfono inteligente.
Los diferentes tipos de aleaciones de litio, como las diferentes sales que se utilizan en la solución de electrolito, afectan la cantidad de partículas que quedan en el electrodo, pero los materiales que proporcionan un ciclo más limpio no son necesariamente los mejores porque no pueden proporcionar una acumulación suficiente. energía. En los teléfonos inteligentes, necesitamos baterías con alta capacidad y bajo consumo de energía porque son más seguras y menos costosas que las baterías más potentes, y las necesitamos para alimentar nuestros dispositivos durante el mayor tiempo posible. En los vehículos eléctricos, puede usar baterías muy espaciosas y muy potentes, ya que están protegidas por una carcasa duradera, es menos probable que se dañen y el automóvil deberá recorrer una gran distancia entre cargas. Sin embargo, el costo de reemplazar la batería de un Tesla Model S es de $ 12,000. Parte del motivo de este precio radica en el costo de los materiales necesarios para fabricar una batería de litio-níquel-cobalto-óxido de aluminio, a diferencia de una batería convencional de litio-cobalto en un teléfono inteligente, que no es diseñado para el mismo número de ciclos.
El voltaje importa
Uno de los factores más importantes que afectan la cantidad de ciclos que puede operar una batería de iones de litio es su voltaje. Los teléfonos y los automóviles no son la única área de aplicación para las baterías de litio, en los EE. UU. En 2015, el Departamento de Energía gastó mucho tiempo y dinero para comprender cómo están conectados los problemas y cómo resolverlos; después de todo, los satélites usan baterías de litio y celdas solares. Y además del diseño de la batería, la tensión de carga nominal y la tensión nominal de la propia batería resultaron ser un factor negativo que afectaba la vida útil.
El proceso químico mediante el cual funciona una batería de litio conduce a la degradación del ánodo, como se mencionó anteriormente. Pero si carga una batería con un voltaje de más de 3,9 V, se produce una degradación similar con el cátodo, lo que reduce a la mitad la duración de la batería. El voltaje de carga y el voltaje de la batería son esencialmente los mismos ya que todos los componentes de la batería están energizados y, además, la carga provoca calentamiento y cuanto mayor sea el voltaje de carga, más calentamiento será. El calentamiento que se produce cuando la tensión de alimentación de la batería supera los 3,9 V aumenta la degradación del cátodo.
En otras palabras, el voltaje que necesita un teléfono moderno para cargar rápidamente su batería hace que el problema sea insoluble. Cualquiera que use un taladro a batería puede ver esto. Las baterías de 12 o 14 voltios del instrumento ni siquiera se acercan a vivir igual que las que se utilizan en nuestros teléfonos. Tienen un voltaje más alto, se cargan a un voltaje más alto, están mucho más calientes y se deterioran notablemente después de solo unos pocos ciclos. Estas son las mismas baterías simples de litio que se encuentran en el teléfono, porque usar materiales como las baterías Tesla S sería demasiado costoso y no duraría mucho. Afortunadamente, la mayoría de los materiales se reciclan y no nos ahogamos en baterías de herramientas eléctricas, donde el litio es más caro que el oro.
La buena noticia es que las empresas de baterías de litio están intentando mejorar la situación. Cualquiera que logre crear una batería que pueda durar mucho más, ganará mucho dinero. Y solo tenemos que cargar nuestros teléfonos cuando lo necesiten y comprender que no existe una conspiración de los fabricantes de baterías para obligarnos a comprar nuevos dispositivos con más frecuencia.