Τα μυστικά των μπαταριών λιθίου

Όλα όμορφα και καλά στο βασίλειο των υπολογιστών, των smartphones και των κάθε είδους gadgets. Ταχύτερα, ομορφότερα, πλουσιότερα, μικρότερα. Τι γίνεται όμως με το ζήτημα της αυτονομίας τους; Διότι όλες αυτές οι ευκολίες έχουν ως κοινό ελάχιστο παρονομαστή χρηστικότητας, τι άλλο; Την ενέργεια. Χωρίς αυτήν, πάει το βασίλειο…

Διότι οι νέες συσκευές είναι ακόμα ποιο απαιτητικές σε ενέργεια όπως επίσης το εύρος χρήσης τους, τις κάνει ποιο απαραίτητες για περισσότερο χρόνο κάθε ημέρα… Όλα αυτά, σημαίνουν μείωση του χρόνου λειτουργίας της μπαταρίας τους.

Οι δρόμοι για τη βελτίωση των χρόνων λειτουργίας και αναμονής, είναι δύο. Αυξάνουμε την διαθέσιμη χωρητικότητα των μπαταριών ή μειώνουμε την κατανάλωση των συσκευών. Ένας τρίτος δρόμος που έχει αρχίσει να κάνει δείλα την εμφάνιση του και ίσως είναι ο μελλοντικός μονόδρομος, είναι η sustainable energy, δηλαδή ενέργεια που δεν θα τελειώνει ποτέ κάνοντας χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως τα φωτοβολταϊκά στοιχεία επάνω στο ίδιο το σώμα της συσκευής. Αυτό όμως αποτελεί ακόμα πειραματισμό και δεν θα ασχοληθούμε μαζί του.

Η έρευνα έχει ωφελήσει και τους δύο προαναφερθέντες δρόμους. Απο τη μία έχουμε πλέον ισχυρότατες συσκευές που καταναλώνουν την ελάχιστη δυνατή ενέργεια, κλάσμα αυτής που χρησιμοποιούσαν στο παρελθόν, και απο την άλλη έχουμε συνεχή βελτίωση των ενεργειακών κυψελών (μπαταριών).

Εμείς θα ασχοληθούμε με την διαθέσιμη στο ευρύ κοινό τεχνολογία μπαταριών, που προς το παρών είναι η χημεία Λιθίου και παράγωγες αυτής. Σκοπός είναι να ξεκαθαριστούν ορισμένες παρανοήσεις για το πως ακριβώς χρησιμοποιούνται σωστά αυτές οι μπαταρίες, ωστε να έχουν το μέγιστο δυνατό χρόνο ζωής με την βέλτιστη δυνατή απόδοση.

Η τεχνολογία κατασκευής μπαταριών λιθίου -ή ακόμα και των παλαιότερων νικελίου καδμίου και νικελίου-ιδρυδίου του μεττάλου- είναι χημικές τεχνολογίες. Με αυτή την έννοια, έχουν κάποια συγκεκριμένη διάρκεια ζωής και κάποια μοναδικά χαρακτηριστικά.

Οι μπαταρίες λιθίου, ήρθαν να επιλύσουν προβλήματα των παλαιότερων τεχνολογιών, όπως το φαινόμενο μνήμης όμως παράλληλα πρόσθεσαν και νέα προβλήματα… Ας τα δούμε ενα-ενα:

* Είναι επικίνδυνες
Ναι, οι μπαταρίες λιθίου είναι μικρές βόμβες, όσο περίεργο και να σας φαίνεται. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό, είναι πως τα ενεργά χημικά συστατικά που τις απαρτίζουν, διαχωρίζονται απο κάποιο μονωτικό υλικό -εσωτερικά των κελιών της μπαταρίας- το οποίο εαν διαρραγεί και τα χημικά έρθουν απότομα σε επαφή, τότε η αντίδραση είναι βίαιη και παράγει μεγάλη ποσότητα αερίων και ανεβάζει πολύ υψηλή θερμοκρασία. Ο συνδιασμός αυτός είναι που τις κάνει επικίνδυνες γιατί η βίαιη εκτόνωση θα προκαλέσει έκρηξη.
Αυτό το πρόβλημα δεν υπήρχε σε καμμία παλαιότερη τεχνολογία κατασκευής όπως οι Ni-Cd και η Ni-MH.
Γιατί όμως επιλέχθηκαν επικίνδυνες μπαταρίες και πώς πήραν έγκριση;
Επιλέχθηκαν γιατί ήταν η καλύτερη τεχνολογία με πολλά θετικά χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα υψηλής παροχής ρεύματος (amperes), η απάλειψη του φαινομένου μνήμης και η μεγαλύτερη χωρητικότητα ενέργειας σε μικρότερο όγκο. Το πρόβλημα της επικινδυνότητας επιλύθηκε με ηλεκτρονικές μεθόδους.
Κάθε pack μπαταριών λιθίου, περιέχει εσωτερικά ενα ενεργό έξυπνο κύκλωμα ελέγχου της κατάστασης λειτουργίας των cells. Διαθέτει επεξεργαστή και μνήμη. Η μπαταρία του laptop σας είναι ενας μικρός υπολογιστής δηλαδή, ο οποίος και επικοινωνεί με τον υπολογιστή σας συνεχώς ωστε να του αναφέρει την κατάσταση της, πιθανές ανωμαλίες στη λειτουργία, την κατάσταση φόρτισης και όλα τα συναφή.
Σε οποιαδήποτε περίπτωση υπάρξει κάποια δυσλειτουργία, το κύκλωμα ελέγχου διακόπτει τη λειτουργία των κελιών ωστε να αποφευγθεί έκρηξη. Μάλιστα είναι τόσο «έξυπνο», ωστε αν κάποιος «βάλει χέρι» στο εσωτερικό του pack και διαταράξει τις ισσοροπίες -καταμετρημένες τάσεις και ρεύματα- το κύκλωμα «σκοτώνει» οριστικά το pack μπαταριών! Έτσι πήραν έγκριση αυτές οι μπαταρίες. Μέσω αυστηρού ελέγχου απο ηλεκτρονικό κύκλωμα.
* Έχουν πολύ λίγους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης
Ναι, οι μπαταρίες λιθίου έχουν πολύ χαμηλό αριθμό φορτίσεων εκφορτίσεων σε σχέση με τις παλαιότερες τεχνολογίες. Περίπου το 1/3 αυτών και για τα laptop συγκεκριμένα, ο απόλυτος αριθμός είναι 300-400 κύκλοι. Τι εννοούμε όμως με τον όρο κύκλος φόρτισης-εκφόρτισης;
Κύκλος θεωρείται μια πλήρη φόρτιση και ακολούθως η -έστω και τμηματικά- πλήρη εκφόρτιση ενος πλήρους «γεμίσματος» του ντεπόζιτου. Θα το παραλληλίσω με το ντεπόζιτο ενος αυτοκινήτου για να γίνει ποιο κατανοητό. Γεμίζουμε το ντεπόζιτο με 100 λίτρα βενζίνη. Καταναλώνουμε 20 και συμπληρώνουμε πάλι στο πλησιέστερο βενζινάδικο τα 20 που μόλις καταναλώσαμε. Ακολούθως καίμε 80. Μόλις ολοκληρώσαμε εναν κύκλο φόρτισης-εκφόρτισης. Ουσιάστικα, σαν μια εκφόρτιση θεωρείται η κατανάλωση του 100% της χωρητικότητας της μπαταρίας μας με όποιο τρόπο κι αν γίνει. Έτσι, στην πράξη οι 300-400 κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης είναι ενας ικανοποιητικός αριθμός, όχι όμως και ιδανικός.
* Πεθαίνουν και μόνες τους
Οι μπαταρίες λιθίου, φθείρονται ακόμα και όταν δεν χρησιμοποιούνται, αυτό συμβαίνει λόγω της εσωτερικής αντίστασης που υπάρχει σε κάθε μη ιδανικό στοιχείο. Έτσι, εαν η μπαταρία παραχθεί στο εργοστάσιο και ακολούθως μείνει μια τριετία στο «ράφι», υπάρχει σοβαρή πιθανότητα η μπαταρία να διατηρεί ενα μικρό κλάσμα της σχεδιασμένης χωρητικότητας ή ακόμα, να μη λειτουργεί καθόλου. Άρα, μια μπαταρία που «κάθεται» φθείρεται εξίσου με το να τη χρησιμοποιούσαμε κανονικά. Ο χρόνος ζωής τους επηρεάζεται τόσο απο τους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης όσο και απο το χρόνο που πέρασε απο την κατασκευή τους.

Τα παραπάνω, είναι λόγοι που πρέπει να σκεφτόμαστε όταν αγοράζουμε νέες μπαταρίες για τους υπολογιστές και τα gadgets μας. Μια original μπαταρία, έχει πάρει έγκριση για την ασφάλεια και την ποιότητα κατασκευής της.

Ας δούμε τώρα και κάποιες άλλες ενδιαφέρουσες παραμέτρους.

* Αν αδειάσουν τελείως, πέθαναν
Οι μπαταρίες λιθίου, ενοχλούνται πολύ απο τις βαθιές εκφορτίσεις. Αυτό δηλαδή που γνωρίζαμε πως ήταν σωστή χρήση στις παλαιότερες τεχνολογίες είναι εντελώς αντίθετο στις λιθίου. Αν αφήσουμε μια μπαταρία λιθίου να φθάσει στο 0% της χωρητικότητας της, το εσωτερικό κύκλωμα ελέγχου διακόπτει την λειτουργία της μόνιμα. Αυτό γίνεται, γιατί τότε υπάρχει κίνδυνος απο τη χρήση της. Αν και θα μπορούσε να φορτίστει κανονικά και απροβλημάτιστα, υπάρχουν κάποιες στατιστικές πιθανότητες να γίνει βίαιη εκτόνωση αερίων τα οποία μπορεί να προκαλέσουν κίνδυνο για το χρήστη. Έτσι, η απαίτηση απο τους κατασκευαστές μπαταριών ήταν να λάβουν αυτό το επιπρόσθετο μέτρο προστασίας των καταναλωτών. Καλώς έπραξαν.
* Η ζέστη είναι ο χειρότερος εχθρός τους
Το μόνο πράγμα που απεχθάνεται μια μπαταρία λιθίου, είναι η θερμότητα. Εαν χρησιμοποιούμε μια μπαταρία λιθίου σε ζεστό περιβάλλον (για παράδειγμα σε ενα laptop που υπερθερμαίνεται) μπορούμε να τις μειώσουμε το χρόνο ζωής ακόμα και στο 25% του αρχικού! Αυτή τους η ευαισθησία στη θερμότητα, έχει οδηγήσει αρκετούς κατασκευαστές lapotp να τις τοποθετούν σε σημείο μακρυά απο τα «καυτά» σημεία του υπολογιστή, δηλαδή τις ψύκτρες. Κάποιοι άλλοι πάλι, αδιαφορούν πλήρως και τις τοποθετούν δίπλα ακριβώς, ωστε να ζεσταίνονται μόνιμα και να χαλάνε συντομότερα. Είναι κι αυτό κέρδος για τους κατασκευαστές, εφόσον οι αγοραστές θα αγοράσουν νέες μπαταρίες απο τους ίδιους.

Ας απαντήσουμε και σε κάποια ερωτήματα

* Είναι καλό να έχω το laptop συνεχώς στο ρεύμα με την μπαταρία συνδεδεμένη, ή καλύτερα να την αφαιρώ τελείως;
Την απάντηση την έχει δώσει ήδη η Apple, η οποία πλέον τοποθετεί τις μπαταρίες στο εσωτερικό του υπολογιστή χωρίς δυνατότητα αφαίρεσης τους απο το χρήστη. Οι μπαταρίες επιβάλλεται να μένουν συνδεδεμένες πάντα στον υπολογιστή γιατί το κύκλωμα τους δεν τις «υπερφορτίζει» όπως κάποιοι νομίζουν. Μόλις η μπαταρία φθάσει το 100% της φόρτισης, το κύκλωμα διακόπτει την φόρτιση και απομονώνει την μπαταρία απο τον υπολογιστή εντελώς. Έτσι, όσο συνδεόμαστε με το ρεύμα του δικτύου, η μπαταρία μένει «άπραγη» και αποσυνδεδεμένη απο το laptop.
Ενα μόνο πρόβλημα υπάρχει με αυτό τον τρόπο χρήσης. Η μπαταρία έτσι κι αλλιώς φθείρεται (όπως αναφέρθηκε παραπάνω) απο το χρόνο που περνάει ακόμα και όταν δεν χρησιμοποιείται. Επίσης, διατηρείται ζεστή συνεχώς απο τη θερμοκρασία που αναπτύσσει ο υπολογιστής. Οι δυο αυτοί παράγοντες λοιπόν, θα την φθείρουν έτσι κι αλλιώς. Οπότε, γιατί να μην την χρησιμοποιήσετε για όσο διαρκέσει η σχέση σας; Σε περίπτωση που θέλετε να έχετε τον υπολογιστή πάντα στο ρεύμα για δικούς σας λόγους, αφαιρώντας την μπαταρία χάνετε και την παράπλευρη προστασία απο μια διακοπή ρεύματος! Με την μπαταρία συνδεδεμένη, έχετε ενα είδος UPS που σας προστατεύει απο τις διακοπές ρεύματος.
* Εγώ δεν τη θέλω επάνω! Πως την αποθηκεύω;
Αν επιμένετε να την αφαιρέσετε, τότε πρέπει να γνωρίζετε πως της αρέσει το δροσερό κλίμα όπως αυτό του ψυγείου, παίρνοντας βέβαια προφυλάξεις για την υγρασία που υπάρχει εκεί!! Μπορείτε να τυλίξετε την μπαταρία σας με ενα υλικό το οποίο την απομονώνει εντελώς απο το περιβάλλον και να την αφήσετε στο ψυγείο σας για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Όταν θέλετε να την ξαναχρησιμοποιήσετε, επιβάλλεται να την αφήσετε σε θερμοκρασία δωματίου για αρκετές ώρες, ωστε να ζεσταθεί και πάλι σταδιακά. Ενας τελευταίος και εξίσου σημαντικός κανόνας αποθήκευσης για όλες τις μπαταρίες λιθίου, είναι το ποσοστό φόρτισης. Πρέπει πριν τις αποθηκεύσετε, να τις φορτίσετε μέχρι το 40% της χωρητικότητας τους. Όχι παραπάνω, όχι παρακάτω. Αυτό το ποσοστό φόρτισης αποθήκευσης, θα το διαπιστώσετε και με κάθε νέο laptop που αγοράζετε. Θα βρίσκετε πάντα την καινούρια μπαταρία φορτισμένη στο ~40%.
* Να την αφήνω να αδειάζει τελείως και μετά να την φορτίζω; Θα κρατήσει περισσότερο έτσι;
Όχι. Θα της κάνετε ζημιά. Οι μπαταρίες λιθίου και πάλι σε αντίθεση με το παρελθόν, προτιμούν συμπληρωματικές φορτίσεις. Το ιδανικό είναι να τις φορτίζετε οσο ποιο συχνά μπορείτε μη επιτρέποντας τους να φτάσουν στα κάτω όρια τους. Αυτός είναι ο ιδανικός τρόπος χρήσης.
* Δηλαδή πως αποφεύγω το φαινόμενο μνήμης;
Οι μπαταρίες λιθίου δεν έχουν φαινόμενο μνήμης. Φαινόμενο μνήμης είχαν οι παλαιότερες τεχνολογίες. Τι είναι όμως αυτό το φαινόμενο; Οι συμπληρωματικές φορτίσεις, στις παλαιότερου τύπου μπαταρίες -π.χ. τις αφήναμε να εκφορτίσουν ως το 80% και μετά φορτίζαμε- είχαν κακή επίδραση πάνω τους. Η μπαταρία απο κάποιο σημείο και μετά, «θυμόταν» πως στο 80% πήγαινε για … γέμισμα και όταν κάποια στιγμή θέλαμε να εκφορτίσουμε περισσότερο, η μπαταρία «νόμιζε» πως δεν είχε άλλη ενέργεια μέσα! Έτσι το ιδανικό σε εκείνες τις μπαταρίες, ήταν να τις αφήνουμε να αδειάσουν εντελώς πριν τις βάλουμε πάλι στη φόρτιση. Στις λιθίου δεν υπάρχει κανένα όφελος, το αντίθετο μάλιστα.
* Και γιατί οι κατασκευαστές προτείνουν να κάνουμε βυθίσεις εκφόρτισης που και που;
Ναι, το προτείνουν γιατί είναι σωστό. Η χημεία ιόντων λιθίου και πολυμερούς λιθίου, δεν έχει φαινόμενο μνήμης, έχει όμως… το κύκλωμα που τις ελέγχει! Το κύκλωμα που αναφέραμε παραπάνω, διαθέτει μια «βάση δεδομένων» οπου συλλέγει στατιστικά και μετρήσεις συνεχώς. Παρακολουθεί δηλαδή την απόδοση της μπαταρίας και υπολογίζει με μαθηματικούς τύπους το «πόση χωρητικότητα» έχουν τα κελιά που ελέγχει. Εαν λοιπόν χρησιμοποιούμε πάντα τη μπαταρία όπως πρέπει, δηλαδή με μικρές φορτίσεις, μη επιτρέποντας της να αδειάσει τελείως, το κύκλωμα αρχίζει να βγάζει σφάλματα στις στατιστικές του και να θεωρεί πως οι μπαταρίες διατηρούν μικρότερη ενέργεια απο όση πραγματικά μπορούν να χωρέσουν.
Εκεί ερχόμαστε εμείς για να βελτιώσουμε αυτές τις στατιστικές. Που και που, δηλαδή περίπου κάθε 30 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, πρέπει να αφήσουμε την μπαταρία να βυθιστεί στο 3% της χωρητικότητας της. Με αυτό τον τρόπο, το κύκλωμα καταγράφει στα δεδομένα του τις πραγματικές τιμές χωρητικότητας και έτσι η μπαταρία μας θα έχει μεγαλύτερο χρόνο ζωής.
* Και ποιός θα ασχολείται ρε φίλε, να μετράει κύκλους και τετράγωνα και τρίγωνα;;;
Σωστή η ερώτηση και η απάντηση για τους αγαπητούς PC Users είναι ενα δωρεάν πρόγραμμα, το BatteryCare. Πρόκειται για ενα μικρό utility (3,5Mbyte Memory Use) , το οποίο αναλαμβάνει ακριβώς αυτό. Καταγράφει τους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης και όταν αυτοί φτάσουν τους 30 -ή άλλο δικό μας αριθμό- θα μας ενημερώσει πως ήρθε η ώρα για μια βαθιά εκφόρτιση συντήρησης. Επίσης, κρατάει και δικά του στατιστικά ωστε να υπολογίζει το wear level της μπαταρίας μας καθώς και άλλες παραμέτρους της. Προφανώς για να επωφεληθούμε, πρέπει να είμαστε εντελώς τυπικοί και να ακολουθούμε το πρόγραμμα συντήρησης αλλιώς είναι δώρον άδωρον. Εαν χρησιμοποιείτε καιρό την μπαταρία σας, μπορείτε να ενημερώσετε το utility μέσα απο τα settings για το πόσους κύκλους έχετε ήδη ολοκληρώσει (στο περίπου), ωστε να είναι ποιο ακριβές στους υπολογισμούς του.

Προφανώς, μετά το τέλος της ζωής τους, οι μπαταρίες αυτές επιβάλλεται να ανακυκλώνονται στο πλησιέστερο σημείο ΑΦΗΣ ή οπουδήποτε γίνεται συγκέντρωση μπαταριών.