Chicago w okresie zimowym jest bezlitosnym miejscem. Chcesz się poruszać po mieście? Nie posiadasz samochodu? Przygotuj się na stanie na podwyższonej platformie kolejowej przez 10 minut i postaraj się wystawić jak najmniejszą część swojej skóry na działanie surowego, wiejącego wiatru. Znowu temperatura spadła poniżej zera? Oto słaba zewnętrzna lampa grzewcza na peronie; bądź za nią wdzięczny.
Znalazłem się na jednym z tych peronów, drżąc pod jedną z tych lamp, w ostatnią sobotę (30 grudnia), gdy temperatura spadła do 3 stopni Fahrenheita (minus 16 stopni Celsjusza). Właśnie wyszedłem z lunchu, podczas którego porwałem jedno z restauracyjnych gniazdek, aby naładować mój telefon do 100 procent pojemności baterii; moim następnym celem było centrum miasta, w okolicy, której nie znałem, i upewniłem się, że mam pod ręką mój GPS. A jednak, gdy na tym peronie wyciągnąłem urządzenie z kieszeni, by sprawdzić trasę, poziom naładowania już spadł: Odczyt w prawym górnym rogu ekranu migał na czerwono, „1% …1% …1%”. Chwilę później, urządzenie było martwe.
Dlaczego?
Krótka odpowiedź jest taka, że baterie polegają na reakcjach chemicznych do pracy, a ujemne temperatury spowalniają lub zatrzymują te reakcje.
Akumulatory litowo-jonowe, powszechne akumulatory, które zasilają większość naszego nowoczesnego życia i żyją wewnątrz prawie każdego telefonu komórkowego, rozładowują prąd elektryczny jako indywidualne jony litu poruszają się przez roztwór z jednego końca baterii (anoda) do drugiego końca (katoda). Kiedy bateria jest rozładowana, wszystkie te jony są osadzone w porowatym graficie w katodzie. Kiedy jest w pełni naładowana, wszystkie są osadzone w anodzie, zgodnie z Ann Marie Sastry, współzałożycielką i dyrektorem generalnym Sakti3, startupu technologii baterii z siedzibą w Michigan, który rozmawiał z Live Science dla poprzedniego artykułu.
Chemicy nie mają dobrego pomysłu na to, jak dokładnie zimno spowalnia reakcje, które zachodzą wewnątrz baterii litowo-jonowych. „Dokładne mechanizmy prowadzące do słabej wydajności baterii litowo-jonowych w niskich temperaturach nadal nie są dobrze poznane”, napisał zespół inżynierów zajmujących się bateriami w artykule opublikowanym w Journal of The Electrochemical Society w 2011 roku.
Ale ogólnie prawdą jest, że ekstremalne zimno spowalnia reakcje zachodzące w bateriach wszystkich typów do pełzania.
Kiedy miernik naładowania mojego telefonu odczytał „1%” na tej platformie, wszystkie jony nie przeskoczyły nagle do katody. W rzeczywistości, niskie temperatury zapobiegają rodzajowi powolnego rozładowania jonów baterii w temperaturach pokojowych, jak wyjaśnia strona inżynierska Lithiumpros.com. Ale ponieważ gorzkie zimno spowolniło lub zatrzymało reakcję wewnątrz baterii, rozładowała się ona mniejszym prądem niż telefon potrzebował do dalszej pracy, chemik Anne Marie Helmenstine, która ma doktorat z nauk biomedycznych i uczyła chemii na różnych poziomach akademickich, napisała w 2017 roku na stronie thoughtco.com. Telefon zinterpretował to słabe rozładowanie jako znak, że bateria była prawie martwa, i wyłączył się wkrótce potem.
Na szczęście nie próbowałem ładować mojej baterii, gdy telefon był jeszcze zamrożony. W bardzo niskich temperaturach, jak Lawrence Berkeley National Laboratory chemik Stephen J. Harris napisał na swojej stronie internetowej, litowo-jonowy proces ładowania może zawieść straszliwie. W normalnych warunkach, przyłożenie prądu elektrycznego do baterii spowodowałoby transport jonów z powrotem do porów w graficie anody. Kiedy bateria jest zamrożona, jony nie dostają się do grafitu. Zamiast tego, wychodzą z roztworu i odkładają się na powierzchni grafitu w postaci litu w stanie stałym. Proces ten może zniszczyć wydajność i życie baterii.
Gdy mój telefon rozgrzewa się ponownie, to udowodnił, że nie potrzebuje opłaty w każdym razie; to po prostu wymagane wystarczająco ciepłe temperatury, aby umożliwić reakcję. Gdy nacisnąłem przycisk zasilania na nowo rozgrzanym urządzeniu, włączyło się ono, a miernik baterii wskazał „94%.”
Jony nigdzie nie zniknęły. Po prostu nie mogły się prawidłowo poruszać w zimnie.
Originally published on Live Science.
Recent news
.