Почему батарея вашего телефона разряжается так быстро, что объясняется двумя стаканами воды

Почему батареи умирают? И почему их можно перезаряжать только столько раз, пока они не удержат полезную сумму заряда? Мой младший сын спросил меня о том, что несколько лет назад, когда его игрушечная машина с батарейным питанием перестала двигаться, удивляясь тому, что он назвал «вечной батареей». И этот же вопрос, вероятно, приходил в голову каждому пользователю сотового телефона, пытающемуся отправить последний текст. до того, как экран выключится.

Исследования, как и мои, продолжаются во всем мире, чтобы сделать батареи, которые заряжаются быстрее, дольше, а также могут заряжаться и разряжаться намного больше, чем сегодня. Но сколько бы вы и я ни хотели, невозможно сделать действительно вечную батарею. Я преподаю термодинамику более 30 лет. Пока что нет ничего, что подсказывало бы, что мы можем нарушить фундаментальные законы науки, чтобы получить эту неуловимую батарею.

Ученые и инженеры в области аккумуляторных батарей называют основную проблему «исчезновение емкости». Обычные люди задаются этим вопросом с такими вопросами, как «Почему моя батарея не держит заряд?» И жалобами, такими как «Я только что перезарядил эту батарею, и ее уже нет!»

Смотрите также: эта новая батарея может обеспечить будущее космических исследований

Это результат второго закона термодинамики, который гласит, что всякий раз, когда происходит какой-то реальный процесс, он создает определенное количество потраченной энергии на пути, которое никогда не сможет быть восстановлено. Каждый раз, когда батарея заряжается или разряжается, происходит потеря энергии - немного потерянной емкости, которую невозможно восстановить.

Чтобы представить, как это работает, подумайте об использовании батареи, как о переносе воды между двумя чашками. Использование батареи похоже на выливание воды из одной чашки в другую, а зарядка батареи включает в себя налив воды обратно в первую чашку. Даже если вы сделаете это один или два раза, не пролив ни капли, в каждой чашке всегда останется лишь маленький кусочек, который вы не сможете вылить.

А теперь представьте, что вы можете обливаться сотнями или даже тысячами раз за два-три года (для аккумулятора сотового телефона) или от 10 до 20 лет (для электромобиля). Со временем все тысячи маленьких и больших вещей, которые идут не так, как надо, в сумме приводят к пропаже воды. Даже проливая едва заметную каплю - скажем, одну десятую миллилитра - получается целый литр, если это происходит 10000 раз. Это даже не включает в себя вероятность того, что одна чашка каким-то образом выйдет из строя, что приведет к потере еще большего количества воды - например, возникновение утечки или нагревание и испарение.

Точно так же, как вода неизбежно пропадает при переливании из одной чашки в другую, для зарядки батареи требуется больше энергии, чем она на самом деле хранит, и выделяется меньше энергии, чем в ней. Соотношение потерянной энергии и накопленной энергии со временем увеличивается.

Фактически, чем больше вы используете батарею, тем больше энергии расходуется впустую, и тем быстрее батарея достигнет точки, в которой она разряжена и ее бесполезно перезарядить. Я и другие изучаем способы, чтобы эти циклы разрядки-перезарядки проходили более плавно, чтобы уменьшить количество отходов, но второй закон термодинамики всегда гарантирует, что не существует способа полностью избавиться от него.

Эта статья была первоначально опубликована на разговор Стивом Мартином. Прочитайте оригинальную статью здесь.