Pourquoi la vie de la batterie se détériore-t-elle avec le temps?

Je suis sûr que vous avez remarqué une différence notable dans la capacité d'une batterie de téléphone à se recharger après un an environ. Si vous conservez un téléphone assez longtemps, il est possible que sa batterie ne soit pas suffisamment chargée pour pouvoir survivre une journée entière. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi?

Piles: comment fonctionnent-elles?

L'électricité n'est pas magique. En fait, c'est un sujet plutôt ennuyeux pour la plupart d'entre nous et nous souhaitons qu'il soit présent uniquement lorsque nous en avons besoin. Mais pour comprendre pourquoi votre téléphone a besoin de charger plus maintenant qu'il ne l'était lorsque vous l'avez reçu, vous devez en savoir un peu plus sur le fonctionnement d'une batterie. Ne vous inquiétez pas, nous allons rester avec les bases ici.

L'électricité, comme toute énergie, n'est pas une chose que vous pouvez créer. Toutes les choses que nous pensons "fabriquer" de l'électricité ne convertissent en réalité qu'une forme d'énergie en une autre, et une batterie utilise une réaction chimique (énergie) pour générer une charge électrique qui peut être mesurée au fil du temps. Différents matériaux peuvent être utilisés pour construire cette charge et ils produiront des résultats différents. Dans nos téléphones, nous utilisons des piles au lithium, car elles fournissent un niveau de sortie décent pour un coût raisonnable.

La durée de vie estimée d’une batterie de téléphone n’est qu’une estimation.

À l'intérieur de la batterie d'un téléphone, vous trouverez trois composants importants pour ce dont nous parlons: une électrode négative (appelée anode et généralement constituée de graphite), une électrode positive (appelée cathode et composée d'un mélange de lithium et autres métaux) et une solution électrolytique. La chimie entre ces trois choses est simple à la base et c'est pourquoi elles peuvent être utilisées pour stocker de l'énergie. Lorsque vous appliquez une charge aux électrodes (à partir de votre chargeur), les ions lithium sont chargés positivement et sont attirés par l'électrode négative. Lorsque vous retirez une charge de la batterie, ces ions lithium perdent leur charge positive et ne sont plus attirés par l'électrode négative. Plus vous retirez longtemps l'énergie stockée d'une batterie chargée, plus le nombre d'ions lithium qui ne sont plus chargés augmente jusqu'à ce qu'il ne reste plus assez d'ions pour produire une sortie et que la batterie est morte. Le brancher sur un chargeur réinitialise ce cycle.

"Cycle" est un mot important ici. Les batteries étant conçues pour stocker une charge, il est difficile de mesurer leur durée de vie utile en tant qu'unité de temps. Une batterie qui dure deux ans peut ne durer que six mois pour quelqu'un d'autre, car elle est utilisée différemment. Pour que nous puissions avoir une estimation de la durée de vie attendue, la longévité de la batterie est mesurée par des cycles de charge. Une batterie de téléphone est généralement conçue pour durer environ 500 à 600 cycles. Un cycle correspond à la charge à 100% d'une batterie complètement déchargée, puis à sa mise à zéro. Charger une batterie dont il reste 50% de charge, puis la vider à 50% est un cycle partiel. C'est pourquoi vous entendez les gens vous dire de charger votre batterie avant que sa charge ne baisse et vous entendez aussi dire le contraire. comme moyens de jouer avec le système et d'écarter ce 500e cycle. Bien sûr, cela ne fonctionne pas de cette manière car la batterie ne compte pas le nombre de cycles de charge. Cinq cents n'est qu'une estimation.

Mais la longévité peut être mesurée en cycles à cause de ce qui se passe lorsque vous chargez une batterie et de son incidence sur les cycles de charge futurs, de la quantité d'énergie pouvant être stockée et du potentiel (pensez au nombre de volts) de la charge stockée.

L'oxydation et l'efficacité se détestent

Étant donné que les véhicules électriques sont une réalité et que les batteries qu’ils utilisent sont extrêmement chères, de nombreuses études ont été menées sur les causes de la dégradation des batteries lithium-ion au cours de leur vie. Heureusement, cela s’applique également aux batteries les moins chères (mais toujours chères!) De nos téléphones, et cela à cause des changements chimiques qui se produisent pendant le chargement des batteries.

Nous savons que charger une batterie charge positivement des ions lithium qui sont ensuite attirés magnétiquement (l'électricité est le magnétisme) par l'électrode négative. À mesure que de plus en plus d'ions chargés sont attirés, la différence de potentiel entre l'électrode négative et l'électrode positive augmente. C'est ainsi que vous mesurez la tension - la différence d'énergie potentielle entre deux électrodes. Une fois que la lecture est atteinte, la batterie est considérée comme complètement chargée. L'inverse est vrai lors du déchargement d'une batterie et la différence de potentiel diminue jusqu'à atteindre zéro car aucun autre ion chargé positivement n'est présent sur l'électrode négative. Mais cela ne signifie pas que l’électrode négative est propre et identique à ce qu’elle était avant de commencer.

Les électrodes s'oxydent. De la même manière que l'eau et l'air peuvent provoquer la rouille du fer (d'où vient le mot oxydation), le lithium, le graphite et les sels d'électrolyte vont oxyder une électrode. Lorsque chaque ion chargé positivement est retiré de l'anode dans une batterie, une couche microscopique de particules est laissée et est chimiquement liée à l'anode en graphite. Ces particules sont constituées d'atomes d'oxyde de lithium (lithium lié à l'oxygène) et de carbonate de lithium (lithium lié à du carbone), qui n'ont pas les mêmes propriétés chimiques ou électriques que le graphite. Cette couche interfère avec le cycle de charge / décharge et change à la fois la différence de potentiel (tension) et le nombre d'ions chargés qui peuvent être attirés. Finalement, les changements suffisent à remarquer. Si vous continuez à utiliser la batterie et à la recharger comme vous le feriez normalement, vous ne parviendrez plus à stocker suffisamment d’énergie électrique pour alimenter votre téléphone.

Charger une batterie modifie essentiellement la composition des électrodes et affecte la façon dont elle se chargera à l'avenir.

Différents types de compositions de lithium, ainsi que différents sels utilisés dans la solution d'électrolyte, ont une incidence sur la quantité de dépôts laissés sur l'électrode. Mais les matériaux qui permettent un cycle plus propre ne sont pas forcément les meilleurs car ils ne peuvent pas fournir autant d’énergie stockée. Nous voulons des batteries haute capacité et basse consommation dans nos téléphones, car elles sont plus sûres que les batteries haute puissance (et moins chères) et nous voulons qu'elles alimentent notre téléphone aussi longtemps qu'elles le peuvent. Un véhicule électrique peut utiliser des batteries de grande capacité et de forte puissance car elles sont protégées par un cadre solide et ne risquent donc pas d'être endommagées. Ils sont nécessaires car une voiture doit pouvoir parcourir de longues distances entre deux charges. Mais le coût d'une batterie de remplacement pour une Tesla Model S est également de 12 000 $. Une partie de ce coût provient des matériaux coûteux utilisés pour construire une batterie lithium-nickel-cobalt-aluminium-oxyde, par opposition aux batteries de base lithium-cobalt utilisées dans un téléphone qui ne dure pas autant de cycles avant de se dégrader.

La tension, ça compte

L'un des facteurs les plus importants pouvant influer sur le nombre de cycles d'une batterie lithium-ion est sa tension. Les téléphones et les voitures ne sont pas les seuls outils conçus pour fonctionner avec des piles au lithium rechargeables. En 2015, le département américain de l'Énergie a consacré beaucoup de temps et d'argent à la recherche des causes exactes des problèmes et de la manière de les atténuer, car les satellites utilisent des piles au lithium. et chargeurs solaires. Des études ont révélé qu'après la composition de la batterie elle-même, la tension de charge et la tension de la charge maintenue constituaient le deuxième grand danger pouvant affecter la longévité de la batterie.

La chimie qui fait fonctionner une batterie au lithium dégrade naturellement l'anode, et c'est ce dont nous avons parlé plus haut. Mais si vous chargez une batterie de plus de 3, 9 volts ou si vous stockez une charge avec une différence de potentiel supérieure à 3, 9 volts, le même type de dégradation se produit sur la cathode (électrode positive). Cela réduit essentiellement la longévité d'une batterie de moitié. La tension de charge et la tension de maintien sont essentiellement la même chose parce que vous excitez tous les composants d’une batterie, mais la charge introduit également de la chaleur. Plus la tension de charge est élevée, plus elle sera chaude. La chaleur appliquée lorsqu'une batterie excitée dépasse 3, 9 volts aggrave encore la dégradation de la cathode.

Il n’existe pas de cabale secrète de fabricants de batteries qui essaient de nous tromper; c'est toute la chimie.

En d'autres termes, les tensions nécessaires pour alimenter un téléphone moderne et charger rapidement sa batterie signifient qu'il est presque impossible de "réparer" les choses. Quiconque avec une perceuse à piles a vu cela en action. Les piles de 12 ou 14 volts utilisées dans un outil ne durent pas autant de cycles que celles de nos téléphones. Ils stockent et fonctionnent à une tension plus élevée, chargent à une tension plus élevée et beaucoup plus chaude, et peuvent être sensiblement affectés après seulement quelques cycles de charge. Ils utilisent les mêmes batteries de base au lithium que les téléphones, car utiliser les types de matériaux que nous voyons dans une batterie Tesla S les rendrait plus onéreuses et leur durée de vie ne serait pas très longue. Heureusement, nous pouvons recycler la plupart des matériaux qui y sont contenus et nous ne nous noyons pas dans un océan de piles jetées Makita et Porter-Cable, le lithium étant plus cher que l'or.

La bonne nouvelle est que toutes les entreprises qui fabriquent des batteries au lithium s'efforcent d'améliorer la situation. Quiconque peut trouver la première batterie qui dure beaucoup plus longtemps gagnera beaucoup d’argent. Tout ce que nous pouvons faire, c'est charger nos téléphones quand ils doivent l'être, et savoir qu'il n'y a pas de complot entre les fabricants de batteries pour nous amener à acheter de nouveaux produits plus souvent.

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