چرا شارژدهی باتری‌ها به‌مرور زمان کمتر می‌شود؟
قطعا متوجه شده‌اید که تفاوت قابل توجهی در میزان شارژدهی باتری گوشی پس‌از استفاده یک‌ساله 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 جزئیات خسته‌کننده علمی نمی‌شویم، اما برای درک اینکه چرا پس‌از مدتی استفاده، تلفنهای همراه نسبت‌به زمانی که به تازگی آنها را خریداری می‌کنیم به دفعات بیشتری شارژ کردن نیاز دارند، باید کمی درباره اصول اولیه نحوه عملکرد باتری‌ها بدانیم. الکتریسیته مثل تمام انواع دیگر انرژی چیزی نیست که بتوان تولید کرد. همه فعالیت‌هایی را که ما به‌عنوان «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 به‌دلیل بازده مناسب به‌نسبت 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 به‌همین‌دلیل 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. هرقدر 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 ۱۰۰درصد و پس از آن تخلیه مجدد تا صفر تعریف شده است. شارژ کردن کامل یک باتری که ۵۰درصد شارژ دارد و سپس تخلیه مجدد آن تا ۵۰درصد یک چرخه 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 همه این اعداد ۵۰۰ یا ۶۰۰ تخمینی هستند. شارژ شدن باتری، مقدار شارژی که می‌تواند ذخیره کند، نحوه استفاده از آن و اختلاف پتانسیل موجود (ولتاژ) در آن روی چرخه 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 وسیله 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.
ولتاژ مهم است
یکی از بزرگترین عوامل که روی چرخه شارژ باتری لیتیوم یونی اثرگذار 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 ۳.۹ولت شارژ کنیم یا انرژی را با اختلاف پتانسیل بالاتر از ۳.۹ولت ذخیره کنیم، تخریب یکسانی در کاتد (الکترودهای مثبت) اتفاق می‌افتد که طول عمر باتری را نصف می‌کند. با افزایش ولتاژ همه اجزای باتری برانگیخته خواهند شد که این امر موجب افزایش گرما می‌شود. هنگامی که یک باتری با بیش از ۳.۹ولت شارژ شود دمای آن افزایش پیدا کرده و تخریب کاتد را بدتر می‌کند. به عبارت دیگر ولتاژی که برای کار کردن تلفنهای امروزی و شارژ سریع آنها مورد نیاز است (۳.۹ولت) به این معنی است که اصلاح این ساختارغیر ممکن است. کسانی که با یک دستگاه دریل شارژی کار کرده‌اند این موضوع را به خوبی می‌داند، باتری‌های ۱۲ یا ۱۴ولتی که در این ابزار استفاده می‌شوند به اندازه باتری‌های موجود در گوشی هوشمند عمر نمی‌کنند، این باتری‌ها با ولتاژ بالاتر شارژ می‌شوند و به موجب آن بسیار گرم‌تر کار می‌کنند و بعد از تعداد کمی چرخه شارژ، به شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرند. این وسایل از همان باتری‌های مبتنی بر لیتیوم موجود در تلفن‌ها استفاده می‌کنند، زیرا استفاده از مواد موجود در باتری خودرو‌های تسلا، قیمت آنها را گرانتر 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 تولیدکننده باتری لیتیومی درحال تلاش برای بهتر کردن محصولات خود هستند. هر شرکتی که بتواند اولین باتری را که به‌طور 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.
بابک اسدالهی/ زومیت