Dlaczego na mrozie baterie szybciej się wyczerpują?

Każdy kto używał telefonu przy ujemnej temperaturze pewnie zauważył, że akumulator wyczerpuje się znacznie szybciej niż w zwykle. Okazuje się, że smartfon nie lubi mrozu, choć naukowcy wciąż nie do końca wiedzą dlaczego. Przybliżymy wam jednak różne teorie i poradzimy jak używać elektroniki, gdy jest bardzo zimno.

Zacznę od historii kombatanckiej… Dawno temu, kiedy bardzo chciałem zostać przewodnikiem górskim, uczestniczyłem w zimowych kursach. Było zimno i było ciemno, bo przecież musieliśmy radzić sobie w każdych warunkach. Termos, mapa, kompas i… po chwili rozładowująca się czołówka zasilana tzw. płaską baterią. Tak było do momentu, kiedy któryś z instruktorów nie oświecił nas, że w jednym sklepie górskim możemy przecież kupić te same baterie, ale w wersji litowej. O jaka to była zmiana! Porządne -10° C, a bateria trzymała.

I choć dziś smartfony też bazują na ogniwach litowo-jonowych lub litowo-polimerowych, to kiedy zrobi się zimno albo przyjdzie nam porozmawiać stojąc na stoku, nagle okazuje się, że niby chwila rozmowy a ubyło nam dobre kilka procent.
Jak to się dzieje? Tego naukowcy tak do końca nie wiedzą, ale przyczyny takiego stanu rzeczy upatrują w poniższych czynnikach.

Sen zimowy procesów chemicznych

W normalnej temperaturze każde ogniwo działa jak należy. Kiedy podłączymy je do odbiornika, czyli zamkniemy obwód elektryczny, wewnątrz baterii rozpocznie się rekcja chemiczna (konkretnie reakcje nazywane redoks, czyli redukcji-utleniania, o których przebiegu możecie przeczytać tutaj). Uwalniane w wyniku tej reakcji elektrony zgromadzą się na ujemnej elektrodzie – anodzie. W wyniku połączenia dwóch biegunów baterii – oczywiście przez odbiornik – powstaje różnica potencjałów. To dzięki niej następuje przepływ prądu elektrycznego przez obwody elektroniczne urządzenia, a następnie powrót elektronów na powierzchnię dodatniej elektrody, czyli katody, bo tam łatwiej jest elektronom połączyć się z kationami, na które rozpadł się elektrolit.

Co istotne same elektrony mają kiepską ruchliwość, to dopiero wspomniana różnica potencjałów wywołuje równoczesny ruch elektronów na całej długości przewodnika. W istocie w układzie elektrycznym płyną elektrony pochodzące z całego układu, a nie tylko z samego ogniwa.

Ale… kiedy jest zimno nie jest normalnie. Mnie np. zimą chce się spać, muszę się ciepło ubierać, by mój organizm nie uległ wychłodzeniu i działał optymalnie. Nieco podobnie jest z ogniwami. Naukowcy uważają, że jedną z przyczyn ich szybszego wyczerpywania się jest spowolnienie w niskich temperaturach zachodzących wewnątrz reakcji chemicznych.

Tu dygresja: Może używaliście kiedyś światła chemicznego? Taki lightstick, który zapala się po przełamaniu, świeci dość długo. Jednak gdy składniki potrzebne do reakcji, której skutkiem jest wydzielanie fotonów się skończą, przestaje świecić. To pewnie wiecie, ale zróbcie eksperyment i wsadźcie takie „światło” do zamrażarki. Zobaczycie, że cały proces uda się „zamrozić”. Tak swoją drogą to dobra metoda, kiedy ma się dzieci, które wpadną o 22 na pomysł, żeby odpalić lighsticka i pół godziny później pójdą spać…

Wracamy do baterii. Ujemne temperatury sprawiają również, że spada przewodnictwo elektrolitu. W efekcie spada napięcie prądu, jakie może dostarczyć ogniwo przy założonym natężeniu (więcej tutaj) i w znacznie krótszym czasie dochodzi do jego wyczerpania.

Ponadto słaba przewodność elektrolitu powoduje mniej równomierny rozkład gęstości prądu w porowatych elektrodach, co z kolei obniża pojemność akumulatorów, kiedy te znajdą się w niskich temperaturach. Przy -15°C, według badań Asma Mohamad Arisa, Bahmana Shabani z RMIT University w Melburn, wydajność baterii litowo-jonowej potrafi spaść ze 100% do nawet 77% pojemności. Portal Battery University podaje jeszcze bardziej ostre dane: akumulator, który ma 100% pojemności w temperaturze 27°C, zwykle ma tylko 50% w temperaturze -18°C. Co ciekawe wystarczy, że np. smartfon poleży chwilę w temperaturze pokojowej i ogniwo odzyska pierwotną pojemność.

Kiedy elektrony gubią drogę

Co prawda ogniwom szkodzi przebywanie w ujemnych temperaturach, ale znacznie gorsze jest dla nich ładowanie np. lodowatego smartfona. Dlaczego?

Gdy np. akumulator litowo-jonowy całkowicie się wyczerpie, to jony litu, które były nośnikiem energii elektrycznej, zbiorą się w strukturze porowatej, grafitowej katody. I znów: tak dzieje się w normalnych temperaturach pracy ogniwa. Kiedy zaczyna być zimno, wraz ze zmniejszaniem się przewodnictwa elektrolitu, aniony zamiast wnikać w pory grafitowej elektrody, zaczynają powlekać jej powierzchnię. Oznacza to, że proces galwanizacji, będący efektem ładowania w ujemnych temperaturach, czy też bardzo zimnego ogniwa, może spowodować jego nieodwracalne obniżenie pojemności.

Tak wygląda prawidłowy transport litu w elektrodzie (tu bardziej szczegółowy opis)

A tak się dzieje, kiedy jony litu nie są w stanie wniknąć w porowatą strukturę grafitu:

Dbamy o akumulator

Jeśli będziemy trzymać się zasady, że baterie – tak jak ludzie – najlepiej funkcjonują w temperaturze pokojowej, to wszystko z nimi będzie w jak najlepszym porządku.

• Musimy pamiętać, że szkodzi im nie tylko mróz, ale również wysokie temperatury. Przegrzanie akumulatora może doprowadzić do jego eksplozji!
• Na mrozie unikajmy trzymania smartfona w ręce przez długi czas. Jeśli rozmawiamy, najlepiej będzie skorzystać z zestawu słuchawkowego. Telefon trzymajmy w wewnętrznej kieszeni, jak najbliżej ciała.
• Z drugiej strony jeśli chcemy przez dłuższy czas przechować do niczego nie podłączone ogniwo to wcale nie głupim pomysłem może okazać się trzymanie go w lodówce. Tu jednak poszukajmy wskazówek i sugestii producenta sprzętu.