Dobrodošli v litijevi dobi
Marjan Kodelja 3. februarja 2018 ob 06:19

Kot je bilo sporočeno ta teden, ameriške oblasti preiskujejo, ali je imel Apple prav, ko je programsko upočasnil delovanje nekaterih starejših iphonov, ali pa je s tem kršil pravice potrošnikov. Dejstva so dokaj v prid Applu. Baterije se starajo ter v nekem trenutku niso več sposobne zagotoviti toka, kot ga naprava v določenem trenutku potrebuje. Zato se ta samodejno in na pogled naključno ugasne in ponovno zažene. Da samo-ugašanj ne bi bilo, je Apple upočasnil delovanje in tako preprečil, da bi naprava od baterije zahtevala več »soka«, kot ga je ta sposobna zagotoviti.

Vrsto let so bile vse mobilne naprave odvisne od nikelj-kadmijevih baterij. V začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja pa sta se začeli vzpenjati novi baterijski tehnologiji, nikelj-metal hidridna (NiMH) in litij-ionska (Li-ion). Prevladala je slednja, ki je danes, vključno s svojimi izpeljankami, del vsake mobilne naprave. Pionirsko delo na litijevi tehnologiji je že leta 1912 začel G. N. Lewis, vendar so se prve komercialno dostopne baterije, ki pa jih ni bilo mogoče polniti, pojavile šele okoli leta 1970. Izbor litija je bil očiten. Gre za najlažjo kovino z velikim elektrokemičnim potencialom, ki hkrati zagotavlja največjo gostoto energije glede na težo. To so znanstveniki vedeli ves čas, vendar so bile praktične varnostne težave razlog za dolg razvoj od prototipov do komercialno dosegljivih polnilnih baterij. Zaradi inherentne nestabilnosti litija, zlasti med polnjenjem baterije, so namesto kovinske izdelali nekovinsko litijevo baterijo z litijevimi ioni. Čeprav ta hrani manj energije (nižja energetska gostota) v primerjavi s čisto litijevo baterijo, je varna. Prvo takšno baterijo je predstavilo podjetje Sony leta 1991, hitro pa so mu sledili tudi drugi.

Elektrolit v tekočem stanju (Li-ion)

Energijska gostota litij-ionske baterije je dvakrat višja od gostote standardne nikelj-kadmijeve baterije, hkrati pa je še veliko potenciala v njenem dvigu. Značilnosti obremenitve (praznjenje baterije) so podobne, napetost ene celice pa je 3,6 volta. Zato imajo lahko mobilne naprave v bateriji le eno samo celico, pri omenjeni starejši tehnologiji so morale imeti tri, vezane zaporedno (napetost ene celice 1,2 volta). Njena dodatna prednost je, da ne zahteva veliko vzdrževanja. Nima spominskega učinka, zato ni potrebe po natančnih ciklih polnjenja–praznjenja, kar je pri starih baterijah pomenilo, da so se te morale v celoti izprazniti, preden smo jih ponovno napolnili, vsaj za pol nižja pa je tudi izguba energije, ko baterija ni obremenjena.

Kljub očitnim prednostim imajo litij-ionske baterije tudi slabosti. Najbolj očitni sta krhkost same baterije in potreba po elektroniki, ki zagotavlja varno uporabo baterij. Elektronika preprečuje previsoke »napetostne« sunke na vsaki celici med polnjenjem, med praznjenjem pa preprečuje, da bi napetost na celici padla pod določeno raven. Litij-ionske baterije so namreč občutljive na temperaturo, ta jih tudi postopoma uničuje, zato elektronika preprečuje tudi temperaturne ekstreme. Električni tok med polnjenjem in praznjenjem je pri večini baterij omejen med 1 C in 2 C. Kar v praksi pomeni, da je pri bateriji z nazivno kapaciteto 1000 mAh omejen med 1 in 2 ampera.

Ali v stanju želatine (Li-po)

Ta podtip litijeve baterije se razlikuje po uporabljenem elektrolitu, snovi, ki je med anodo in katodo baterije. Prvi načrt izvira iz leta 1970, ko so uporabili suhi trdi polimer, podoben plastiki, ki sam ne prevaja električnega toka, dopušča pa izmenjavo ionov. Polimerni elektrolit v bateriji zamenja porozno ločilo, ki je prepojeno z elektroliti. Prednosti sta dve, poenostavljen je postopek izdelave baterije, ta pa je lahko tanka tudi le en milimeter. Slabost je povezana z neprevodnostjo. Notranja upornost je namreč tako visoka, da taka baterije ne more zagotoviti kratkega impulza visokega toka, ki je potreben za zagon na primer vrtenja trdega diska.

Prevodnost se izboljša, če baterijo segrejemo na 60 stopinj Celzija, kar pa je v mobilnih napravah najmanj nepraktično. Kompromis je pomenilo dodajanje elektrolita v stanju želatine (gel). Komercialne baterije (celice) uporabljajo elektrolitske membrane iz poroznega polietilena ali polipropilena, »prepojene« z želatinastim elektrolitom. Elektrokemične reakcije, ki potekajo v tej bateriji, so zato zelo podobne reakcijam, ki potekajo v litijevih baterijah, napolnjenih s tekočim elektrolitom. Kljub pričakovanju, da se bodo baterije Li-po hitro uveljavile, se dolgo časa niso, ker je bila njihova izdelava dražja, majhno povečanje energijske gostote pa tega stroška ni pretehtalo. V bistvu se še vedno bolj ali manj uporabljajo tam, kjer je pomembna poljubna oblika baterije in predvsem potreba po njeni tankosti.

Iz zapisanega lahko izluščimo naslednje: litijeve baterije so boljše od vseh ostalih tipov, med obema tipoma litijevih baterij pa ni tolikšne razlike, da bi en prevladal nad drugim.

Kako »močna« je baterija

Podatek, ki je pomemben, saj posredno pove, koliko časa bo mobilna naprava delovala na »baterijski pogon«, je »kapaciteta« baterije oziroma njena »moč«. Redkeje srečamo podatek o vatnih urah (Wh). Na primer baterija z 1 Wh bo eno uro zagotavljala električno moč enega vata ali dva vata pol ure, če elektriko zagotavlja bolj energetsko potrebni napravi in tako naprej. Standardna baterija za prenosne računalnike ima nazivno moč 50 vatov, baterija za tablične računalnike polovico tega, baterija za pametne telefone pa manj kot petino (manj kot 10 W). Ker ta mera ni univerzalna, večkrat zasledimo podatek o amperskih urah. Dosledno gledano mer ne smemo zamenjavati, saj ne povesta enega in istega, ena meri električni naboj, druga porabljeno moč, da pa je zadeva za uporabnike enostavnejša, lahko poenostavimo, da oba podatka govorita o kapaciteti baterije.

Za obe meri velja, da večja ko je številka (v W ali mAh), dlje baterija zagotavlja samostojno delovanje neke naprave. Če baterijo, ki ima kapaciteto 4000 mAh, zamenjate z baterijo s 6000 mAh, lahko pričakujete za približno polovico daljši čas avtonomije. To velja le za eno napravo, in ne za dve različni napravi, dva prenosnika. Ne morete samodejno predvidevati, da bo prenosnik, ki ima baterijo z višjo kapaciteto, deloval dlje, saj je avtonomija odvisna od tega, koliko elektrike naprava potrebuje. Prenosnik z močnejšim procesorjem in zmogljivejšo grafično kartico porabi več energije od standardnega prenosnika srednjega cenovnega razreda. Razlike so celo med napravami z enakimi tehničnimi specifikacijami. Ena naprava ima lahko programsko strojno opremo (firmware), ki, kadar ni potrebe, upočasni procesor, s tem pa varčuje z energijo, druga je nima, zato porabi več, pa čeprav imata enak procesor. Prav tako je poraba energije odvisna od nastavitev uporabnika, kot je na primer tista, s katero določimo, kako svetel bo zaslon. Celo oblikovanje naprave (ohišje) ima lahko vpliv na porabo. Če se naprava pregreje in temperatura preseže neko normalno raven, lahko sistem upočasni delovanje elementov, da se naprava ohladi, vendar hkrati to tudi vpliva na nižjo porabo energije. Boljše odvajanje toplote torej pomeni, da do tega ne pride in se poraba energije ne zniža. Drugi primer vpliva na ohišje so mobilni telefoni, kjer lahko to vpliva na slabši sprejem radijskega modula, zato ta deluje z večjo močjo in poraba je posledično višja.

Vse baterije delujejo po istem načelu, ki ga je leta 1800 demonstriral Alessandro Volta. Sestavni deli baterije so pozitivno nabita katoda, negativna anoda in kemična snov, znana kot elektrolit, med njima. Ko sta elektrodi povezani, znotraj baterije stečejo kemični procesi, ki potisnejo elektrone iz anode proti katodi.

Naroči se na redna vsakotedenska e-poštna obvestila o novih prispevkih na naši strani.


Od mladenke do starke

Zaradi vsega tega označevanje baterije pomaga le pri grobem ugibanju, kolikšen je čas njenega delovanja. Edini pravi način ugotavljanja časa delovanja je še vedno praktični test, ko napravo uporabljamo in merimo čas, dokler se ta ne izključi. To seveda velja za nove naprave z novimi baterijami, ki niso dolgo stale v skladiščih. Litijeva baterija se namreč stara od trenutka, ko so jo naredili. S staranjem se niža njena kapaciteta, kar pomeni, da baterija, ki je nekaj časa stala, ne more zagotoviti takšne avtonomije kot popolnoma nova. Pa čeprav sta enaki.

Zmanjšanje kapacitete je namreč opazno že po enem letu, pa če je baterija v uporabi ali ne, večina baterij pa postane neuporabna med drugim in tretjim letom, so pa tudi primeri baterij, ki zdržijo tudi do pet let. Staranje baterij, ki niso v uporabi, se upočasni, če so shranjene na stalni temperaturi (15 °C) in če so med tem delno napolnjene (40 %).

Nekaj konkretnih podatkov pa smo vseeno izbrskali. Apple zagotavlja, da kapaciteta baterije ne pade pod 80 odstotkov po 500 ciklih polnjenja in praznjenja. Glede tega je Samsung slabši. Obljublja kapaciteto 70 odstotkov po 300 ciklih. Glede na naše izkušnje z njunimi napravami to, sicer na pamet rečeno, kar drži.

Včasih je veljalo, da je treba baterije popolnoma izprazniti pred ponovnim polnjenjem, da ni spominskega učinka oziroma da to podaljša rok trajanja baterij. To velja tako za kadmijeve baterije, ki mimogrede v Evropi niso več dovoljene zaradi strupenih snovi, in baterije NiMH. Pri litijevih baterijah je ravno nasprotno. Degradacije baterije, mehanske spremembe v njeni notranjosti, ki zmanjšujejo njeno kapaciteto, so manjše, če jo polnimo, ko smo jo čim manj izpraznili. Poleg tega na sposobnost hranjenja energije litijevih baterij vpliva temperatura. Predvideva se, da baterija, ki je bila stalno izpostavljena temperaturi 25 stopinj Celzija, v enem letu izgubi 20 odstotkov kapacitete. Višja je temperatura, bolj drastično je znižanje. Kar je seveda težko, saj se naprave med delovanjem bolj ali manj grejejo, del toplote pa se prenese tudi na baterije, ki se zaradi kemičnih reakcij, ki potekajo v njih, tudi grejejo. Degradaciji baterije kot posledici temperature se ne moremo izogniti, lahko pa podaljšamo rok trajanja, če baterij ne shranjujemo v toplih prostorih.

Zadnji nasvet je povezan s hranjenjem baterij, ko teh ne uporabljate. Med hranjenjem naj ne bodo prazne ali skoraj prazne. Litijeve baterije mesečno izgubijo med 7 in 10 odstotkov shranjene energije, zato lahko raven energije v njih pade pod tako, ko jih ni več mogoče napolniti. Zadnje pa velja izključno za litijeve baterije. Baterije NiMH lahko izpraznite v celoti in jih hranite, prav tako pa niso tako občutljive na temperaturo.

Življenjska doba litijevih baterij je daljša, če jih pred ponovnim polnjenjem ne izpraznite v celoti. Degradacija baterije je manjša, če je baterija čim manj izpraznjena, preden jo ponovno priključimo na polnilec.

Booking.com INT
Avtor Marjan Kodelja
mm
Marjan se s tehnološkim novinarstvom ukvarja od leta 1997 in v tem času je videl že mnogo stvari, ki se nikoli niso uveljavile ali pa so imele kratek čas trajanja. Začel je pri računalniški reviji Moj mikro in ter 2000 postal njen urednik. Veliko kasneje je bil urednik naprej tednika Stop in nato še tednika Vklop, trenutno pa kruh služi s pisanjem tehnoloških člankov.
Marjan Kodelja - prispevki
1 komentar
  • Za moje pojme je Apple zelo odgovoren, uporabnike bi moral o zmanjšanju zmogljivosti vsaj obvestiti, če že ne dati odločitev v roke uporabnika! Poleg tega je splošno znano dejstvo, da se praktično novi iPhoni ugašujejo, predvsem ob nižji zunanji temperaturi, kar pomeni da vgrajujejo v svoje pregrešno drage naprave zanič baterije! Ne samo da imajo nizko kapaciteto, še kakovost je zanič.
    Hvala lepa za take naprave, izberem veliko raje kakšnega Xiaomija z 4100mAh baterijo, ki nima ne ob mrazu niti po letih uporabe nobenih težav. Pa še cene ter p/p imajo top!

Dodaj odgovor

Vaš e-naslov ne bo objavljen. * označuje zahtevana polja