En av de mest användbara elektroniska enheterna som finns tillgängliga för oss är också en av de vanligaste. Det moderna batteriet finns med i så många av våra favorittekniker att du nästan kan bli förlåten för att du inte spenderar tid på att lära dig om hur de fungerar.
Men det är nu dags för dig att utöka din kunskapsbas genom att förstå hur smarttelefonen i fickan drivs, de vanliga batterivarianterna och vad du kan göra för att förlänga deras livslängd.
Vem uppfann det moderna batteriet?
Alessandro Volta demonstrerade det första fungerande elektromagnetiska batteriet år 1800. Hans stapel av koppar- och zinkplattor åtskilda av saltvattendränkta pappersskivor gav en jämn spänning under en rimlig tid. Detta var känt som en voltaisk hög och var föregångaren till en generation av batteridrivna experiment.
Bildkredit: GuidoB/Wikimedia
År 1836 standardiserade John Frederic Daniell batteriets design. En kopparkruka fylld med kopparsulfatlösning nedsänkt i en oglaserad lergodsbehållare fylld med svavelsyra och en zinkelektrod blev de-facto batteristandarden, med över otaliga elektriska telegrafnätverk.
Snabbspolning framåt till Oxford University, 1979. John Goodenough och Koichi Mizushima demonstrerade en fungerande uppladdningsbar cell med ett 4-voltsområde som använde litiumkoboltoxid som positiv elektrod och litiummetall som negativ. Föregångaren till litiumcellen som vi känner den föddes – men den kommersialiserades först 1991 av Sony och Asahi Kasei i deras bärbara elektroniska enheter.
Vad är ett modernt batteri?
Vi använder termen “modernt batteri” för att beskriva de elektrokemiska celler som driver våra bärbara tekniska enheter. Batterier delas in i två vanliga kategorier:
Engångsbatterier: engångsbatterier med elektroder som förändras oåterkalleligt under användning. Uppladdningsbara: återanvändbara batterier med elektroder som återställs av backström.
Den mest moderna bärbara elektroniken har ett litiumbaserat batteri, varav det vanligaste är litiumjon (Li-jon) cell. Men du kan också stöta på en litiumpolymer (Li-Po) cell, som har samma elektrokemiska sammansättning och allmänna kemi som sin motsvarighet men kostar mer att tillverka och har en lägre energitäthet.
Likväl är Li-Po-batterier fortfarande populära på grund av deras lätta, flexibla design och förbättrade funktionsförmåga vid högre och lägre temperaturer, vilket Li-ion kan kämpa med.
Li-jonbatterier innehåller vanligtvis en interkalerad litiumförening som litiumkoboltoxid (LiCoO2) som en elektrod, grafit för den andra och ett organiskt lösningsmedel som en elektrolyt. Denna förening används på grund av sin höga energitäthet och långsamma laddningsförlust när den inte används och kräver ingen minnescykling för att förlänga batteriets livslängd.
Bildkredit: Kristoferb/Wikimedia
Alla litiumbaserade batterier innehåller en trycktemperaturkoefficient. Detta är en felsäker brytare eller sensor designad för att förhindra att batteriet överhettas under extrema förhållanden eller överanvändning. Denna process gör vanligtvis batteriet oanvändbart genom att permanent skada de kemiska föreningar som gör laddnings-/urladdningsprocessen möjlig.
Hur laddas litiumbaserade batterier?
Litiumbaserade batterier har blivit det bärbara teknologibatteriet att välja mellan på grund av deras höga energitäthet och uppladdningsbara egenskaper.
Under laddningsprocessen rör sig litiumjoner genom elektrolyten från den positiva litiumkoboltoxidelektroden till den negativa grafitelektroden. Sedan, när de laddas ur eller används, rör sig jonerna tillbaka genom elektrolyten, från negativ till positiv. Denna process sker vid en relativt hög spänning – 3,7 volt jämfört med ett alkaliskt AA-batteri på 1,5 volt – vilket är anledningen till att litiumbaserade batterier har blivit den bärbara strömkällan för många hemelektronik.
Litiumbaserade batterier ingår också som en del av större batteripaket, till exempel ett batteri för bärbar dator. Dessa batteripaket har flera litiumjonceller bundna till en större komponent och kommer att innehålla ett antal ytterligare komponenter:
Temperatursensor: Sensor övervakar temperaturen inuti förpackningen för att upprätthålla säkerheten och livslängden för cellerna. Spänningsregulator: Sensor och krets för övervakning och reglering av uteffekten/kapaciteten för varje cell inuti förpackningen Batteriladdningstillstånd: Sensor som informerar operativsystemet om aktuellt laddningstillstånd (t.ex. 47 % full) Anslutning: Packkontakt för bärbar dator, märkesspecifik.
Litiumbaserade batterier kan utföra tusentals laddnings-/urladdningscykler innan kvaliteten på cellen verkligen börjar försämras. Ändå finns det flera sätt som du kan förstöra ditt batteri, vilket potentiellt kan utsätta dig själv i fara i processen.
Hur du underhåller ditt litiumbaserade batteri
Den positiva elektroden som finns i de flesta litiumbaserade batterier, LiCoO2, kan utgöra en fara om cellen skadas. Till skillnad från andra batterialternativ, kan äventyra den brandfarliga, trycksatta blandningen ge extrema resultat. För att mildra detta utsätts litiumbaserade battericeller för många säkerhetstester, av vilka många är strängare än deras syrabaserade motsvarigheter.
Värme
Det har förekommit flera fall av litiumbaserade batterier som antänds under extrema värmeförhållanden. Batterier som utsätts för värme i kombination med extra, oväntat tryck eller kortslutning kan “explodera” och lämna ett förstört batteri och, oftare än inte, en skadad del av bärbar teknologi.
Varje litiumbaserat batteri har en inbyggd separator inuti cellen. Detta skiljer mellan de positiva och negativa elektroderna under laddnings-/urladdningsprocessen. Om denna separator blir perforerad eller skadad finns det en chans att elektroderna kan komma i kontakt. Detta gör att batteriet får en snabb värmeökning som kan leda till en explosion.
Batteriet har en ventileringsmekanism för att förhindra en sådan händelse, men i slutändan, på grund av naturen hos den kemiska föreningen som ventileras, kvarstår risken för en explosiv reaktion på grund av värmen som genereras av den kemiska reaktionen.
Urladdningsbetyg
Litiumbaserade batterier föredrar en partiell urladdning snarare än “djup” eller “full”. De har inget laddningsminne, så en partiell urladdning påverkar inte framtida prestanda.
En djup urladdning (dvs. att batteriet töms helt) kommer dock att leda till att spänningen hos ett litiumbaserat batteri sjunker och kan resultera i ett permanent skadat batteri.
Åldrandeprocess
Litiumbaserade batterier åldras. Deras maximala livslängd varierar beroende på antalet laddnings-/urladdningscykler som upplevs, men du kommer vanligtvis att börja se ditt batteri försämras efter cirka två år. Det betyder inte att du ska hålla reda på hur många gånger du använder batteriet eftersom det skulle vara ganska svårt.
Det är också värt att kontrollera när ett batteri tillverkades när du köper en ny bärbar teknisk produkt. Om den har stått överflödig i ett lager i ett år, är det ett år av batteritid som redan ebbat ut. Kontakta produkttillverkaren och be om ett nytt batteri där det är möjligt.
Hur är det med elbilsbatterier?
Ett elbilsbatteri bör hålla minst 100 000 till 200 000 miles. Det motsvarar cirka 10 eller 20 år. Tesla rapporterar att Model S-batteriet kommer att förlora cirka 5 % av sin kapacitet under de första 50 000 milen. Efter detta kommer batteritiden att sjunka mycket långsammare.
De flesta elfordonstillverkare erbjuder batterigarantier på 5 eller 8 år eller 100 000 miles. De flesta välrenommerade tillverkare kommer att ersätta ett batteri som har sjunkit till 60-70% kapacitet under den här tiden.
Det finns några saker du kan göra för att se till att ditt elbilsbatteri räcker längre:
Se till att du bara köper ett elfordon med högt värderad termisk reglering. Försök att undvika snabbladdning för mycket eftersom det kommer att minska batteritiden. Ställ in laddaren för att ladda till 80 % av kapaciteten. Överladdning av batteriet kan påverka det negativt. Låt inte batteriet nå 0 % kapacitet. Att hålla batteriet mellan 50-80% kapacitet är optimalt.
Li-Air
Nästa generation av litiumbatterier kommer att ha litium-luftkemi, vilket möjliggör extremt hög energitäthet i allt lättare konstruktioner. Li-Air-batterier får en energitäthetsfördel jämfört med sina traditionella motsvarigheter genom att använda rikligt med syre för att inducera strömflöde, snarare än att lagra den nödvändiga kemiska oxidatorn internt.
Tyvärr krävs fortfarande forskning inom flera nyckelområden innan en kommersiellt gångbar Li-Air-produkt kommer att finnas i våra bärbara enheter, även om betydande framsteg har gjorts de senaste åren.
Försök att inte skada dina batterier!
Du behöver inte oroa dig för mycket för att förstöra dina litiumjonbatterier. De kommer att försämras naturligt med tiden. Men om du inte hela tiden laddar maximalt och sedan kör ner dem tills de är helt urladdade kommer dina batterier att hålla längre, vilket alltid är något att tänka på.
Om författaren
Gavin Phillips (1017 publicerade artiklar)
Gavin är Junior Editor for Technology Explained, en regelbunden bidragsgivare till Really Useful Podcast och en frekvent produktrecensent. Han har en examen i samtida skrivande som plundrats från Devons kullar och mer än ett decennium av professionell skrivarerfarenhet. Han tycker om stora mängder te, brädspel och fotboll.
Mer från Gavin Phillips
Prenumerera på vårt nyhetsbrev
Gå med i vårt nyhetsbrev för tekniska tips, recensioner, free e-böcker och exklusiva erbjudanden!
Klicka här för att prenumerera
