Varför ditt telefonbatteri dränerar så snabbt, förklaras med två koppar vatten

Varför dör batterierna? Och varför kan de bara laddas så många gånger innan de inte kommer att hålla en användbar mängd laddning? Min unga son frågade mig för de år sedan då hans batteridriven leksakbil slutade röra sig och undrade vad han kallade ett "evigt batteri". Och samma fråga har sannolikt gått överallt för varje mobilanvändare som försöker skicka en sista text innan skärmen blinkar.

Forskning, som min, fortsätter runt om i världen för att göra batterier som laddar snabbare, håller längre och kan laddas och laddas många gånger än idag. Men så mycket som du och jag skulle vilja, det är omöjligt att göra ett verkligt evigt batteri. Jag har undervisat termodynamik i mer än 30 år. Hittills finns det inget som tyder på att vi kan bryta vetenskapens grundläggande lagar för att få det smärtsamma batteriet.

Batteriforskare och ingenjörer kallar huvudproblemet "kapacitetsförsvinnande". Vanliga människor undrar om det med frågor som "Varför kommer inte batteriet att ta ut en laddning?" Och klagomål som "Jag laddade just denna sak och det är redan ute igen!"

Se även: Det här nya batteriet kan driva framtidens rymdutforskning

Det är ett resultat av termodynamikens andra lag, som säger att när någon verklig process händer skapas det en viss mängd slösad energi längs vägen som aldrig kan återvinnas. Varje gång ett batteri laddas eller laddas, finns det lite slösad energi - lite slösad kapacitet i batteriet som inte kan återvinnas.

För att se hur det fungerar fungerar tänk på batteribruk som att överföra vatten mellan två koppar. Att använda ett batteri är som att tömma vattnet från en kopp till den andra, och laddning av batteriet innebär att man häller vattnet tillbaka i den första koppen. Även om du gör det en eller två gånger utan att spilla en droppe finns det alltid bara en liten bit kvar i varje kopp som du inte kan hälla ut.

Tänk nu att du häller fram och tillbaka hundratals eller tusentals gånger under en period av två eller tre år (för ett mobiltelefonbatteri) eller 10 till 20 år (för en elbil). Med tiden kommer alla tusentals små och stora saker som går fel att lägga upp en hel del vatten som saknas. Till och med sönder en knappt synlig droppe - säg en tiondel av en milliliter - lägger upp till en hel liter om det händer 10 000 gånger. Det inkluderar inte ens möjligheten att en kopp misslyckas på något sätt som förlorar ännu mer vatten - som att springa en läcka eller värma upp och orsaka avdunstning.

Precis som vatten oundvikligen saknas när man häller från en kopp till en annan, krävs mer energi för att ladda batteriet än det faktiskt lagras, och mindre energi kommer ut än den lagras i den. Andelen slösad energi till lagrad energi växer över tiden.

I själva verket desto mer använder du ett batteri, desto mer energi blir slöseri, och ju tidigare batteriet når en punkt där den är död och inte kan laddas upp. Jag och andra studerar sätt att få de laddningscyklerna att löpa mer smidigt för att minska mängden avfall, men den andra lagen om termodynamik kommer alltid att se till att det inte finns något sätt att bli av med det helt.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation av Steve W. Martin. Läs den ursprungliga artikeln här.