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Estoy seguro de que has notado que ves una diferencia notable en qué tan bien la batería de un teléfono retiene la carga después de aproximadamente un año. Si mantiene un teléfono el tiempo suficiente, es posible que su batería ni siquiera tenga suficiente carga para sobrevivir un día entero. ¿Te has preguntado alguna vez por qué?
Baterías: ¿cómo funcionan?
La electricidad no es mágica. De hecho, es un tema bastante aburrido para la mayoría de nosotros y solo queremos que esté allí cuando necesitemos usarlo. Pero para entender por qué su teléfono necesita cargarse más ahora que cuando lo recibió por primera vez, necesita saber un poco sobre cómo funciona una batería. No te preocupes, vamos a seguir con lo básico aquí.
La electricidad, como cualquier tipo de energía, no es algo que puedas crear. Todas las cosas que consideramos como "hacer" electricidad en realidad solo están convirtiendo una forma de energía en otra, y una batería usa una reacción química (energía) para generar una carga eléctrica que puede medirse con el tiempo. Se pueden usar diferentes materiales para construir esta carga y producirán resultados diferentes. En nuestros teléfonos, utilizamos baterías a base de litio porque proporcionan un nivel de salida decente a un costo razonable.
La vida estimada de la batería de un teléfono es solo eso: una estimación.
Dentro de la batería de un teléfono, encontrará tres componentes que son importantes para lo que estamos hablando: un electrodo negativo (llamado ánodo y típicamente hecho de grafito), un electrodo positivo (llamado cátodo y hecho de una mezcla de litio y otros metales), y una solución electrolítica. La química entre estas tres cosas es simple en su base y es por eso que pueden usarse para almacenar energía. Cuando aplica una carga a los electrodos (desde su cargador), los iones de litio se cargan positivamente y son atraídos por el electrodo negativo. Cuando retira una carga de la batería, estos iones de litio pierden su carga positiva y ya no son atraídos por el electrodo negativo. Cuanto más tiempo extraiga la energía almacenada de una batería cargada, la cantidad de iones de litio que ya no se cargan aumenta hasta que no quedan suficientes para producir ninguna salida y la batería está agotada. Conectarlo a un cargador restablece este ciclo.
"Ciclo" es una palabra importante aquí. Debido a que las baterías están diseñadas para almacenar una carga, es difícil medir su vida útil como unidad de tiempo. Una batería que dura dos años para usted solo puede durar seis meses para otra persona porque se usa de manera diferente. Para que podamos tener una estimación de cuánto tiempo esperarán que duren, la duración de la batería se mide mediante ciclos de carga. La batería de un teléfono generalmente está diseñada para durar alrededor de 500 a 600 ciclos, y un ciclo se define como cargar una batería completamente agotada al 100% y luego drenarla a cero nuevamente. Cargar una batería que tiene una carga del 50% restante, luego descargarla al 50% es un ciclo parcial, por lo que escuchará a las personas que le dicen que cargue la batería antes de que se agote y también escuchará a las personas que le dicen lo contrario como formas de jugar el sistema y evitar ese ciclo número 500. Por supuesto, no funciona de esa manera porque la batería en realidad no cuenta el número de ciclos de carga. Quinientos es solo una estimación.
Pero la longevidad se puede medir en ciclos debido a lo que sucede cuando carga una batería y cómo afecta los ciclos de carga futuros, la cantidad de energía que se puede almacenar y el potencial (piense en el número de voltios) de la carga almacenada.
La oxidación y la eficiencia se odian
Debido a que los vehículos eléctricos son reales y las baterías que usan son increíblemente caras, se han realizado muchos estudios sobre por qué las baterías de iones de litio se degradan durante su vida útil. Afortunadamente, esto también se aplica a las baterías menos costosas (¡pero aún así caras!) Dentro de nuestros teléfonos, y se debe a los cambios químicos que ocurren durante la carga de las baterías.
Sabemos que cargar una batería carga positivamente iones de litio que luego son atraídos magnéticamente (la electricidad es magnetismo) al electrodo negativo. A medida que se atraen más y más iones cargados, aumenta la diferencia de potencial entre el electrodo negativo y el electrodo positivo. Así es como se mide el voltaje: la diferencia de energía potencial entre dos electrodos. Una vez que alcanza una lectura específica, la batería se considera completamente cargada. Lo contrario es cierto mientras se descarga una batería y la diferencia de potencial disminuye hasta que llega a cero porque no hay más iones cargados positivamente en el electrodo negativo. Pero eso no significa que el electrodo negativo esté limpio y exactamente igual que antes de comenzar.
Los electrodos se oxidan. De la misma manera en que el agua y el aire pueden oxidar el hierro (que es de donde proviene la palabra oxidación), las sales de litio, grafito y electrolitos causarán la oxidación de un electrodo. Cuando cada ion cargado positivamente se separa del ánodo en una batería, queda una capa microscópica de partículas que se ha unido químicamente al ánodo de grafito. Estas partículas están hechas de átomos de óxido de litio (litio unido con oxígeno) y átomos de carbonato de litio (litio unido con carbono), ninguno de los cuales tiene las mismas propiedades químicas o eléctricas que el grafito. Esta capa interfiere con el ciclo de carga / descarga y tanto la diferencia de potencial (voltaje) como el número de iones cargados que pueden ser atraídos cambian. Finalmente, los cambios son suficientes para darse cuenta. Si continúa usando la batería y la carga como lo haría normalmente, llegará al punto en el que no se almacena suficiente energía eléctrica para alimentar su teléfono.
Cargar una batería esencialmente cambia la composición de los electrodos y afecta la forma en que se cargará en el futuro.
Los diferentes tipos de composiciones de litio, así como las diferentes sales utilizadas en la solución electrolítica, tienen un efecto sobre la cantidad de estos depósitos que quedan en el electrodo. Pero los materiales que contribuyen a un ciclo más limpio no son necesariamente los mejores porque no pueden proporcionar tanta energía almacenada. Queremos baterías de alta capacidad y baja potencia en nuestros teléfonos porque son más seguras que las baterías de alta potencia (y cuestan menos) y queremos que suministren energía a nuestro teléfono siempre que puedan. Un vehículo eléctrico puede usar baterías de alta capacidad y alta potencia porque están protegidas por un marco sólido y no es tan probable que se dañen. Son necesarios porque un automóvil necesita poder recorrer largas distancias entre cargas. Pero el costo de una batería de reemplazo para un Tesla Model S también es de $ 12, 000. Parte de ese costo proviene de los costosos materiales utilizados para construir una batería de óxido de litio-níquel-cobalto-aluminio-óxido en comparación con las baterías básicas de litio-cobalto usadas en un teléfono que no duran tantos ciclos antes de que se degraden.
El voltaje importa
Uno de los factores más importantes que pueden influir en cuántos ciclos durará una batería de iones de litio es su voltaje. Los teléfonos y los automóviles no son las únicas cosas diseñadas para funcionar con baterías de litio recargables, y en 2015 el Departamento de Energía de los Estados Unidos gastó mucho dinero y tiempo para ver exactamente qué causa los problemas y cómo mitigarlos porque los satélites usan baterías a base de litio y cargadores solares. Los estudios encontraron que después de la composición de la batería en sí, el siguiente mayor culpable que puede afectar la longevidad de la batería es el voltaje de carga y el voltaje de la carga retenida.
La química que hace funcionar una batería de litio degrada naturalmente el ánodo, y eso es de lo que hablamos anteriormente. Pero si carga una batería con más de 3.9 voltios, o almacena una carga con una diferencia de potencial superior a 3.9 voltios, el mismo tipo de degradación le sucede al cátodo (electrodo positivo). Esto esencialmente reduce la longevidad de una batería a la mitad. El voltaje de carga y el voltaje retenido son esencialmente lo mismo porque excita todos los componentes de una batería, pero la carga también introduce calor, y cuanto mayor sea el voltaje de carga, más caliente será. El calor aplicado cuando una batería se excita a más de 3.9 voltios empeora aún más la degradación del cátodo.
No hay una camarilla secreta de fabricantes de baterías que están tratando de vencernos; Todo es química.
En otras palabras, los voltajes necesarios para alimentar un teléfono moderno y cargar rápidamente su batería significan que es casi imposible "arreglar" las cosas. Cualquiera con un taladro a batería lo ha visto en acción. Las baterías de 12 o 14 voltios utilizadas en una herramienta no duran tantos ciclos como las de nuestros teléfonos. Se almacenan y operan a un voltaje más alto, se cargan a un voltaje más alto y mucho más calientes, y pueden verse notablemente afectados después de unos pocos ciclos de carga. Usan las mismas baterías básicas de litio que un teléfono porque usar el tipo de materiales que vemos en una batería Tesla S los haría más caros, y simplemente no tienen una vida útil muy larga. Gracias a Dios, podemos reciclar la mayoría de los materiales en ellos y no nos estamos ahogando en un mar de baterías desechadas de Makita y Porter-Cable, ya que el litio es más caro que el oro.
La buena noticia es que todas las compañías que fabrican baterías de litio están trabajando para mejorar las cosas. Quien pueda idear la primera batería que dure significativamente más tiempo ganará mucho dinero con ella. Todo lo que podemos hacer es cargar nuestros teléfonos cuando necesitan ser cargados, y saber que no hay cierta conspiración entre los fabricantes de baterías para que compremos nuevos productos con más frecuencia.
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