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Tenho certeza de que você notou uma diferença notável em como a bateria de um telefone aguenta uma carga após um ano ou mais. Se você mantiver um telefone por tempo suficiente, a bateria poderá não ter carga suficiente para sobreviver durante um dia inteiro. Você já se perguntou por quê?
Baterias: Como elas funcionam?
Eletricidade não é mágica. Na verdade, é um assunto bastante chato para a maioria de nós e queremos que ele esteja lá quando precisarmos usá-lo. Mas, para entender por que seu telefone precisa ser carregado mais agora do que quando você o recebeu pela primeira vez, você precisa saber um pouco sobre como a bateria funciona. Não se preocupe, vamos seguir o básico aqui.
A eletricidade, como qualquer tipo de energia, não é algo que você pode criar. Todas as coisas que consideramos "produzir" eletricidade estão realmente apenas convertendo uma forma de energia em outra, e uma bateria usa uma reação química (energia) para criar uma carga elétrica que pode ser medida ao longo do tempo. Diferentes materiais podem ser usados para aumentar essa taxa e eles produzirão resultados diferentes. Em nossos telefones, usamos baterias à base de lítio porque elas fornecem um nível decente de produção por um custo razoável.
A vida útil estimada de uma bateria de telefone é apenas isso - uma estimativa.
Dentro da bateria do telefone, você encontrará três componentes importantes para o que estamos falando: um eletrodo negativo (chamado ânodo e normalmente feito de grafite), um eletrodo positivo (chamado catodo e feito de uma mistura de lítio). e outros metais) e uma solução eletrolítica. A química entre essas três coisas é simples em sua base e é por isso que elas podem ser usadas para armazenar energia. Quando você aplica uma carga aos eletrodos (do seu carregador), os íons de lítio são carregados positivamente e atraídos pelo eletrodo negativo. Quando você retira uma carga da bateria, esses íons de lítio perdem sua carga positiva e não são mais atraídos pelo eletrodo negativo. Quanto mais você retira a energia armazenada de uma bateria carregada, o número de íons de lítio que não estão mais carregados aumenta até que não sobrem o suficiente para produzir qualquer saída e a bateria está descarregada. Conectá-lo a um carregador redefine esse ciclo.
"Ciclo" é uma palavra importante aqui. Como as baterias são projetadas para armazenar uma carga, é difícil medir sua vida útil como uma unidade de tempo. Uma bateria que dura dois anos para você pode durar apenas seis meses para outra pessoa porque está sendo usada de maneira diferente. Para que possamos ter uma estimativa de quanto tempo esperamos que eles durem, a longevidade da bateria é medida pelos ciclos de carregamento. Uma bateria de telefone é normalmente projetada para durar entre 500 e 600 ciclos, e um ciclo é definido como carregar uma bateria completamente descarregada a 100% e depois esgotá-la novamente. Carregar uma bateria com 50% de carga restante e depois drená-la para 50% é um ciclo parcial, e é por isso que você ouvirá pessoas dizendo para carregar sua bateria antes que ela fique fraca e também ouvirá as pessoas dizendo o contrário como formas de burlar o sistema e evitar o 500º ciclo. Obviamente, não funciona dessa maneira porque a bateria não conta o número de ciclos de carga. Quinhentos é apenas uma estimativa.
Mas a longevidade pode ser medida em ciclos devido ao que acontece quando você carrega uma bateria e como ela afeta os ciclos de carregamento futuros, a quantidade de energia que pode ser armazenada e o potencial (pense no número de volts) da carga armazenada.
Oxidação e eficiência se odeiam
Como os veículos elétricos são reais e as baterias que eles usam são incrivelmente caras, muitos estudos foram feitos sobre o motivo pelo qual as baterias de íon-lítio se degradam durante a vida útil. Felizmente, isso também se aplica às baterias mais baratas (mas ainda caras!) Dentro de nossos telefones, e é devido a alterações químicas que acontecem durante o carregamento das baterias.
Sabemos que carregar uma bateria carrega positivamente íons de lítio que são magneticamente atraídos (eletricidade é magnetismo) atraídos para o eletrodo negativo. À medida que mais e mais íons carregados são atraídos, a diferença de potencial entre o eletrodo negativo e o eletrodo positivo aumenta. É assim que você mede a tensão - a diferença de energia potencial entre dois eletrodos. Quando atinge uma leitura específica, a bateria é considerada totalmente carregada. O oposto é verdadeiro ao descarregar uma bateria e a diferença de potencial diminui até chegar a zero porque não há mais íons carregados positivamente no eletrodo negativo. Mas isso não significa que o eletrodo negativo esteja limpo e exatamente o mesmo que era antes de você começar.
Eletrodos oxidam. Da mesma maneira que a água e o ar podem causar ferrugem no ferro (que é de onde vem a palavra oxidação), os sais de lítio, grafite e eletrólitos farão com que o eletrodo se oxide. Quando todo íon carregado positivamente é retirado do ânodo em uma bateria, uma camada microscópica de partículas é deixada para trás e foi quimicamente ligada ao ânodo de grafite. Essas partículas são feitas de átomos de óxido de lítio (ligado a oxigênio) e átomos de carbonato de lítio (ligado a carbono), nenhum dos quais possui as mesmas propriedades químicas ou elétricas que a grafite. Essa camada interfere no ciclo de carga / descarga e a diferença de potencial (voltagem) e o número de íons carregados que podem ser atraídos mudam. Eventualmente, as mudanças são suficientes para perceber. Se você continuar usando a bateria e carregando-a normalmente, chegará ao ponto em que não há energia elétrica suficiente armazenada para alimentar o telefone.
Carregar uma bateria essencialmente altera a composição dos eletrodos e afeta a maneira como ela será carregada no futuro.
Diferentes tipos de composições de lítio, bem como diferentes sais usados na solução de eletrólitos, afetam o quanto desses depósitos são deixados no eletrodo. Mas os materiais que contribuem para um ciclo mais limpo não são necessariamente os melhores porque não podem fornecer tanta energia armazenada. Queremos baterias de alta capacidade e baixa potência em nossos telefones, porque são mais seguras que as baterias de alta potência (e custam menos) e queremos que elas forneçam energia para o telefone o máximo que puderem. Um veículo elétrico pode usar baterias de alta capacidade e alta potência, porque elas são protegidas por uma estrutura sólida e não têm tanta probabilidade de serem danificadas. Eles são necessários porque um carro precisa ser capaz de percorrer longas distâncias entre cargas. Mas o custo de uma bateria de reposição para um Tesla Model S também é de US $ 12.000. Parte desse custo vem dos materiais caros usados para fabricar uma bateria de lítio-níquel-cobalto-alumínio-óxido, em oposição às baterias básicas de lítio-cobalto usadas em um telefone que não duram quase tantos ciclos antes de se degradarem.
A tensão é importante
Um dos maiores fatores que pode influenciar quantos ciclos uma bateria de íon de lítio durará é sua voltagem. Telefones e carros não são as únicas coisas projetadas para funcionar com baterias recarregáveis de lítio, e em 2015 o Departamento de Energia dos EUA gastou muito dinheiro e tempo para ver exatamente o que causa problemas e como mitigá-los porque os satélites usam baterias à base de lítio e carregadores solares. Estudos descobriram que, após a composição da própria bateria, o próximo maior culpado que pode afetar a longevidade da bateria é a tensão de carga e a tensão da carga retida.
A química que faz uma bateria de lítio funcionar naturalmente degrada o ânodo, e foi sobre isso que falamos acima. Mas se você carregar uma bateria com mais de 3, 9 volts ou armazenar uma carga com uma diferença de potencial maior que 3, 9 volts, o mesmo tipo de degradação ocorre no cátodo (eletrodo positivo). Isso reduz essencialmente a longevidade de uma bateria ao meio. A tensão de carga e a tensão retida são essencialmente a mesma coisa, porque você empolga todos os componentes de uma bateria, mas a carga também introduz calor, e quanto maior a tensão, mais quente será. O calor aplicado quando a bateria é excitada acima de 3, 9 volts piora ainda mais a degradação do cátodo.
Não existe uma conspiração secreta de fabricantes de baterias que estão tentando nos veloar; é tudo química.
Em outras palavras, as tensões necessárias para alimentar um telefone moderno e carregar rapidamente a bateria significam que é quase impossível "consertar" as coisas. Qualquer pessoa com uma furadeira a bateria viu isso em ação. As baterias de 12 ou 14 volts usadas em uma ferramenta não duram quase tantos ciclos quanto os de nossos telefones. Eles armazenam e operam em uma voltagem mais alta, carregam em uma voltagem mais alta e muito mais quente e podem ser visivelmente afetados após apenas alguns ciclos de carregamento. Eles usam as mesmas baterias básicas à base de lítio que um telefone, porque usar o tipo de material que vemos na bateria Tesla S os tornaria mais caros, e eles simplesmente não têm uma vida útil muito longa. Graças a Deus, podemos reciclar a maioria dos materiais neles e não estamos nos afogando em um mar de baterias descartadas Makita e Porter-Cable, com o lítio sendo mais caro que o ouro.
A boa notícia é que todas as empresas que fabricam baterias de lítio estão trabalhando para melhorar as coisas. Quem conseguir criar a primeira bateria que dure muito mais tempo ganhará muito dinheiro com ela. Tudo o que podemos fazer é carregar nossos telefones quando eles precisam ser carregados e saber que não há conspiração entre os fabricantes de baterias para que compremos novos produtos com mais frequência.
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