バッテリーの寿命が時間とともに悪化するのはなぜですか？

1年ほど後に携帯電話のバッテリーの充電状態に顕著な違いが見られることにお気づきでしょう。電話機を十分に長く保つと、そのバッテリには1日中生き残るのに十分な充電がない場合もあります。なぜ疑問に思ったことがありますか？

バッテリー：どのように機能しますか？

電気は魔法ではありません。実際、それは私たちのほとんどにとってかなり退屈なテーマであり、使用する必要がある場合にのみ存在するようにします。しかし、携帯電話を最初に手に入れたときよりも多く充電する必要がある理由を理解するには、バッテリーの動作について少し知る必要があります。心配しないでください、ここでは基本を守ります。

電気は、あらゆる種類のエネルギーと同様に、作成できるものではありません。電気を「作る」と考えるすべてのものは、実際にはエネルギーの1つの形を別の形に変換するだけであり、バッテリーは化学反応（エネルギー）を使用して電荷を蓄積します。さまざまな材料を使用してこのチャージを構築でき、さまざまな結果が得られます。私たちの電話では、リチウムベースのバッテリーを使用しています。これは、合理的なコストで適切なレベルの出力を提供するためです。

電話のバッテリーの推定寿命は、まさにそれであり、推定値です。

電話のバッテリーの中には、私たちが話していることにとって重要な3つのコンポーネントがあります：負極（アノードと呼ばれ、通常グラファイトで作られています）、正極（カソードと呼ばれ、リチウムの混合物で作られています）および他の金属）、および電解液。これら3つのものの間の化学は基本的に単純であり、エネルギーを貯蔵するために使用できる理由です。（充電器から）電極に電荷を加えると、リチウムイオンは正に帯電し、負電極に引き付けられます。バッテリーから電荷を引き離すと、これらのリチウムイオンは正電荷を失い、負電極に引き付けられなくなります。蓄えられたエネルギーを充電されたバッテリーから引き離すほど、充電されなくなったリチウムイオンの数は、出力を生成するのに十分な量が残ってバッテリーが切れるまで増加します。充電器に接続すると、このサイクルがリセットされます。

ここで「サイクル」は重要な言葉です。バッテリーは電荷を蓄えるように設計されているため、単位時間としての寿命を測定することは困難です。あなたのために2年間続くバッテリーは、それが異なって使用されているため、誰かのために6ヶ月しか続かないかもしれません。バッテリーの寿命は、バッテリーの寿命を予測するために、充電サイクルによって測定されます。電話機のバッテリーは通常、約500から600サイクル続くように設計されており、サイクルは完全に切れたバッテリーを100％まで充電し、再びゼロに放電することとして定義されます。バッテリーの残量が50％になっているバッテリーを充電してから50％に戻すことは部分的なサイクルであるため、バッテリーが低下する前にバッテリーを充電するように言われたり、反対のことを言ったりするのが聞こえますシステムをゲームし、その500番目のサイクルを回避する方法として。もちろん、バッテリーは実際に充電サイクルの数をカウントしないため、そのようには動作しません。 500は推定値です。

しかし、バッテリーを充電するときに何が起こるか、そしてそれが将来の充電サイクルにどのように影響するか、蓄えることができるエネルギー量、蓄えられた電荷の電位（ボルトの数を考えてください）のため、寿命はサイクルで測定できます。

酸化と効率は互いに嫌い

電気自動車は本物であり、使用するバッテリーはめちゃくちゃ高価なので、リチウムイオンバッテリーが寿命の間に劣化する理由について多くの研究が行われています。ありがたいことに、これは携帯電話内の安価な（しかしまだ高価な！）バッテリーにも当てはまります。これは、バッテリーの充電中に化学変化が起こるためです。

バッテリーを充電すると、リチウムイオンがプラスに帯電し、リチウムイオンがマイナス電極に磁気的に引き寄せられることがわかります（電気は磁気です）。より多くの荷電イオンが引き付けられると、負極と正極の電位差が大きくなります。これが、電圧の測定方法です。2つの電極間のポテンシャルエネルギーの差です。特定の読み取り値に達すると、バッテリーは完全に充電されたと見なされます。バッテリーの放電中は逆になり、負の電極には正に帯電したイオンがなくなるため、電位差はゼロに達するまで減少します。しかし、それは、負極がきれいで、開始前とまったく同じという意味ではありません。

電極が酸化します。水と空気が鉄を錆びさせるのと同じように（これは酸化という言葉の由来です）、リチウム、グラファイト、電解質塩が電極を酸化させます。バッテリーの陽極からすべての正に帯電したイオンが剥がされると、粒子の微視的な層が残り、グラファイト陽極に化学的に結合されます。これらの粒子は、酸化リチウム（酸素と結合したリチウム）原子と炭酸リチウム（炭素と結合したリチウム）原子でできており、どちらもグラファイトと同じ化学的または電気的特性を持ちません。この層は、充電/放電サイクルに干渉し、電位差（電圧）と引き付けられる荷電イオンの数の両方が変化します。最終的に、変更は気付くのに十分です。バッテリーを使い続けて通常どおりに充電すると、携帯電話に電力を供給するのに十分な電気エネルギーが蓄積されなくなります。

バッテリーを充電すると、本質的に電極の組成が変化し、将来の充電方法に影響します。

異なるタイプのリチウム組成物、および電解質溶液に使用される異なる塩は、これらの堆積物が電極上にどれだけ残されるかに影響を及ぼします。しかし、よりきれいなサイクルを作る材料は、必ずしも多くの蓄積された電力を提供できないため、必ずしも最高ではありません。携帯電話には大容量で低電力のバッテリーが必要です。なぜなら、それらは高出力のバッテリーよりも安全で（しかもコストも安く）、できるだけ携帯電話に電力を供給できるようにするためです。電気自動車は、頑丈なフレームで保護されており、損傷する可能性が低いため、大容量で高出力のバッテリーを使用できます。車は充電と充電の間を長距離移動できる必要があるため、これらは必要です。しかし、Tesla Model Sの交換用バッテリーのコストも12, 000ドルです。そのコストの一部は、劣化するまでほとんどサイクルが続かない電話で使用される基本的なリチウムコバルト電池とは対照的に、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物電池を構築するために使用される高価な材料から生じます。

電圧が重要

リチウムイオン電池のサイクル数に影響を与える可能性がある最大の要因の1つは、その電圧です。充電式リチウム電池で動作するように設計されているのは電話と車だけではなく、2015年に米国エネルギー省は、衛星がリチウムベースの電池を使用しているため、問題の原因とその軽減方法を正確に調べるために多くのお金と時間を費やしましたおよびソーラー充電器。調査によると、バッテリー自体の構成後、バッテリーの寿命に影響を与える可能性のある次の最大の犯人は、充電電圧と保持された充電の電圧です。

リチウム電池を機能させる化学物質は、アノードを自然に劣化させます。それが上で話したことです。しかし、バッテリーを3.9ボルト以上で充電したり、3.9ボルト以上の電位差で充電した場合、カソード（正極）でも同じような劣化が起こります。これにより、バッテリーの寿命が本質的に半分になります。バッテリーのすべてのコンポーネントを励起しているため、充電電圧と保持電圧は基本的に同じですが、充電も熱を発生させ、充電電圧が高くなるほど熱くなります。バッテリーが3.9ボルトよりも高く励起されたときに加えられる熱は、カソードの劣化をさらに悪化させます。

私たちを逃がそうとしているバッテリーメーカーの秘密の秘密はありません。それはすべて化学です。

言い換えれば、現代の携帯電話に電力を供給し、そのバッテリーを迅速に充電するために必要な電圧は、物事を「修正」することはほとんど不可能であることを意味します。バッテリー駆動のドリルを持っている人は誰でもこれを実際に見ています。ツールで使用される12ボルトまたは14ボルトのバッテリーは、携帯電話のバッテリーと同程度のサイクル持続しません。これらは、より高い電圧で保存および動作し、より高い電圧で充電し、より高温になり、わずか数回の充電サイクルで著しく影響を受ける可能性があります。テスラSバッテリーに見られる種類の材料を使用すると、より高価になり、寿命があまり長くないため、携帯電話と同じ基本的なリチウムベースのバッテリーを使用します。幸いなことに、ほとんどの材料をリサイクルできるので、廃棄されたマキタやポーターケーブルのバッテリーの海でdrれていません。リチウムは金よりも高価です。

良いニュースは、リチウム電池を製造するすべての企業が物事の改善に取り組んでいるということです。かなり長持ちする最初のバッテリーを思い付くことができる人は誰でも、それから多くのお金を稼ぐでしょう。充電が必要なときに携帯電話を充電するだけで、新しい製品をより頻繁に購入するためのバッテリーメーカー間の陰謀はないことがわかります。

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