علت کاهش عمر باتری‌ها در مرور زمان چیست؟

قطعا “باتری” یکی از ناخوشایندترین قسمت‌های گجت‌های امروزی برای عده‌ی بسیاری از کاربران است چرا که حتی بهترین آنها نمیتوانند کاربرانی را که از دستگاه خود به طور مداوم استفاده میکنند را راضی نگه دارند. طبیعتا دستگاه‌هایی که عمر باتری کمی دارند حسابی میتوانند کاربر را کلافه کنند و از لذت کار با دستگاه بکاهند. مسئله‌ای که در مورد باتری‌ها وجود دارد و احتمالا آن را درک کرده‌اید این است که شارژدهی یک باتری پس از یک سال استفاده یا بیشتر به طور قابل توجهی نسبت به روز اول کم میشود و اگر مدت زیادیست از گوشی خود استفاده میکنید احتمالا متوجه شده‌اید که باتری آن مثل روز اول دوام نمیاورد و احتمالا در طول روز نیاز به شارژ مجدد آن پیدا میکنید. چرا این اتفاق میفتد؟ این ممکن است سوال کاربران زیادی باشد. همراه سخت افزار مگ باشید تا علت این موضوع را بررسی کنیم.

• باتری‌ها چگونه کار میکنند؟

قطعا الکتریسیته جادویی نیست و در حقیقت میتوان آن را یک چیز کاملا کسل کننده برای بسیاری از افراد دانست که فقط زمانی که آن نیاز داریم از آن استفاده میکنیم. اما اگر میخواهید متوجه شوید که چرا شارژدهی گوشی شما نسبت به روز اول کمتر شده است لازم است کمی بیشتر در مورد نحوه ی کارکرد باتری‌ها اطلاعات کسب کنید که در اینجا برخی از اطلاعات پایه در مورد باتری‌ها را با هم مرور میکنیم.

الکتریسیته مانند هر منبع انرژی چیزی نیست که شما بتوانید آن را خلق کنید. تمام چیزهایی که ما تصور میکنیم برق را درست میکنند در واقع یک مبدل انرژی هستند که آن را از شکلی به شکل دیگر تغییر میدهند. یک باتری از یک واکنش شیمیایی استفاده میکند تا جریان الکتریسیته را تولید کند که این جریان در طول زمان قابل سنجش است. از مواد گوناگونی میتوان برای ساخت باتری استفاده کرد که نتیجه ی آن تولید محصولات مختلف بوده است. در گوشی‌های هوشمند ما و بسیاری از گجت‌های امروزی از باتری‌های لیتیوم یون استفاده میشود چرا که این باتری‌ها نسبت به کارایی خود هزینه‌ی ساخت کمی هم دارند.

درون این باتری‌ها سه جز قرار دارند که برای چیزی که در مورد آن صحبت میکنیم اهمیت بیشتری دارند. جز اول یک الکترود منفی است که به آن آند میگویند و نام الکترود مثبت، کاتد است که از ترکیب لیتیوم با دیگر فلزات ساخته میشود. جز سوم نیز یک محلول الکترولیت است. مسئله ی شیمیایی بین این سه جز ساده است که در واقع باعث میشود از آنها به عنوان ذخیره کننده ی انرژی استفاده کرد. زمانی که شما شارژ وارد باتری میکنید و دستگاه خود را به شارژر متصل میکنید، لیتیوم یون ها شارژ میشوند و الکترودهای منفی آنها را جذب میکنند. پس از جدا کردن شارژر، لیتیوم یون ها شارژ مثبت خود را از دست میدهند و جذب انرژی توسط الکترودهای منفی نیز متوقف میشود. در طول مدت زمانی که گوشی شما به شارژر متصل نیست، طبیعتا انرژی مورد نیاز دستگاه از انرژی ذخیره شده در لیتیوم یون ها تامین میشود تا در نهایت باتری کاملا تخلیه شود. با اتصال مجدد شارژر، دوباره این سیکل از سر گرفته میشود.

سیکل که به آن اشاره شد در مورد باتری‌ها اهمیت زیادی دارد چرا که باتری‌ها به گونه ای طراحی شده‌اند که تعداد سیکل شارژ مشخصی داشته باشند. نحوه ی استفاده از باتری توسط هر شخص ممکن است متفاوت باشد و دقیقا به همین دلیل است که شاید یک باتری که برای شما دو سال به راحتی کار کرده، برای یک کاربر دیگر بیشتر از 6 ماه دوام نیآورد چون طرز استفاده از باتری متفاوت بوده است. بدین ترتیب سازندگان توانسته‌اند یک محدوده ی عمر برای باتری‌ها تعیین کنند. باتری گوشی ها معمولا برای 500 الی 600 سیکل شارژ طراحی شده‌اند که هر سیکل به معنی تخلیه ی کامل باتری و شارژ کامل دوباره ی آن است. شارژ کامل یک باتری که 50 درصد دارد در واقع نصف سیکل شارژ محسوب میشود به همین دلیل است که در مورد شارژ باتری‌های لیتیوم یون نباید به فکر تخلیه ی کامل شارژ و سپس شارژ کامل آن باشید. تعداد سیکل عنوان شده فقط یک آمار است، اما طول عمر یک باتری بر اساس سیکل ها قابل اندازه گیری است چرا که اتفاقاتی که حین شارژ شدن باتری رخ میدهند بر روی عمر آن و سیکل های آینده ی باتری تاثیر گذارند.

• اکسیداسیون و تاثیر منفی روی باتری

امروزه خودروهای برقی در حال باز کردن جای خود در صنعت خودرو هستند و هزینه ی باتری این وسایل نقلیه بسیار بالاست و به همین دلیل تحقیقاتی در مورد اینکه چرا شارژدهی باتری‌های لیتیوم در طول زمان کاهش پیدا میکنند انجام شده است. در حال حاضر میدانیم که شارژ کردن یک باتری باعث شارژ لیتیوم یون ها میشود که سپس به صورت مغناطیسی جذب الکترودهای منفی میشوند. هر چقدر که یون های شارژ شده جذب میشوند، تفاوت پتانسیلی بین الکترودهای منفی و مثبت نیز بیشتر میشود. توسط اختلاف پتانسیل انرژی بین دو الکترود، ولتاژ اندازه گیری میشود. زمانی که ولتاژ به حد معینی برسد، شارژ باتری به طور کامل پر شده است. عکس این قضیه نیز برای زمانی که باتری در حال تخلیه شدن است و ولتاژ به حد صفر میرسد صدق میکند چرا که در آن لحظه دیگر یون مثبت شارژ شده ای وجود ندارد.

اکسایش یا اکسیده شدن الکترودها درست شبیه چیزی که آب و هوا بر سر آهن میآورند در مورد لیتیوم، گرافیت و نمک های الکترولیتی نیز صدق میکند و باعث اکسیده شده الکترودهای باتری میشود. زمانی که هر یون شارژ شده از سمت آنود حرکت میکند، یک لایه‌ی میکروسکوپیک از ذرات را پشت سر خود جای میگذارد. این ذرات از لیتیوم اکسیده شده، اتم‌ها و لیتیوم کربنات ساخته شده‌اند که هر یک از خواص شیمیایی یا الکتریکی مانند گرافیت نیز برخوردارند. لایه‌های ذکر شده با سیکل شارژ / دشارژ شدن و هر دو مورد اختلاف پنتانسیل یا ولتاژ و عدد یون های شارژ شده که امکان جذب آنها وجود دارد به تدریج تداخل پیدا میکند و این تداخلات برای متوجه شدن ما در مورد کاهش عمر باتری کافی خواهد بود. اگر به استفاده از این باتری مانند قبل ادامه دهید به نقطه ای خواهید رسید که دیگر انرژی الکتریسیته کافی برای ذخیره شدن و استفاده توسط گوشی شما وجود نخواهد داشت.

انواع مختلف از ترکیبات لیتیومی مانند نمک های مختلف در الکترولیت ها قابل استفاده هستند که در به جای ماندن لایه های اکسیده شده تاثیر گذارند اما این ترکیبات که باعث میشوند سیکل پاک تر بماند لزوما گزینه ی بهتری هستند چرا که قادر به ذخیره ی انرژی به مقدار کافی نیستند. در واقع ما نیازمند باتری‌هایی پرظرفیت و با قدرت پائین در گوشی‌های خود هستیم که هم شارژدهی مناسبی داشتند و هم از امنیت کافی برخوردار باشند و در نهایت هزینه ی تولید آنها برای تعداد بالا مقرون به صرفه باشد. برای ماشین های برقی علاوه بر ظرفیت بالا باید توان آن نیز زیاد باشد چرا که در باتری خودروهای برقی توسط یک شاسی قدرتمند محافظت میشود و احتمال آسیب دیدن آنها کمتر است. همچنین یک خودروی برقی لازم است بتواند بین هر بار شارژ مسافت قابل توجهی را طی کند. موادی همچون لیتیوم، نیکل، کبالت، آلومینیوم و باتری اکسید باعث شده هزینه ی ساخت این باتری‌ها قابل توجه باشد.

• اهمیت ولتاژ

یکی از مهم ترین عوامل تاثیرگذار بر روی تعداد سیکل های مفید یک باتری لیتیوم یونی، ولتاژ آن است. به دلیل اینکه گوشی‌ها و خودروها تنها وسایلی نیستند که توسط باتری‌های لیتیومی قابل شارژ تامین انرژی میشوند، دپارتمان انژی امریکا در سال 2015 مبلغ هنگفت و زمان زیادی را برای اینکه متوجه شود استفاده از باتری‌های بر پایه‌ی لیتیوم در ماهواره ها و شارژرهای خورشیدی چه تاثیری بر روی کاهش مصرف انرژی دارد، صرف کرد. دومین مورد مهم تاثیرگذار بر روی عمر یک باتری پس از ترکیبات آن، ولتاژ شارژ شدن و ولتاژ نگهداری شارژ آن است. اگر شما یک باتری را با ولتاژ بیشتر از 3.9 شارژ کنید یا شارژ، کاتد باتری دچار افت میشود و عمر باتری را تقریبا به نصف کاهش میدهد. ولتاژ شارژ کردن و نگه داشتن در واقع تفاوت خاصی با یکدیگر ندارند چون همان طور که میدانید اجزای باتری هنگام شارژ شدن حرارت تولید میکنند و ولتاژ بالاتر باعث افزایش دمای باتری نیز میشود.

به عبارت دیگر، ولتاژها برای انتقال قدرت کافی به یک گوشی امروزی ضروری هستند و ثابت نگه داشتن مقدار این فاکتور به نوعی غیر ممکن است. برای اینکه متوجه شیم مقدار زیاد ولتاژ در عمل چقدر در عمر باتری دستگاه تاثیر دارد میتوانیم به دریل های شارژی اشاره کنیم که ولتاژ باتری آنها معمولا بین 12 تا 14 ولت است که باعث شده تعداد سیکل تعریف شده برای آنها نسبت به گوشی‌های هوشمند بسیار کمتر باشد در حالی که اساس باتری آنها همان باتری‌های لیتیومی است که در گوشی ها نیز مورد استفاده قرار میگیرند.

خبر خوب این است که شرکت‌ها در حال کار بر روی نسل جدید باتری‌ها هستند تا عملکرد آنها را بهبود ببخشند. بدین ترتیب امیدواریم عمر باتری و شارژدهی آنها در سال‌های آتی به طور محسوسی افزایش پیدا کنند.