Varför dör batterier? Och, varför kan de bara laddas så många gånger innan de inte kommer att hålla en användbar mängd laddning? Min unge son frågade mig om det för flera år sedan när hans batteridrivna leksaksbil slutade röra sig, undrar över vad han kallade ett "evigt batteri". Och samma fråga har antagligen slagit in i huvudet på alla mobiltelefonanvändare som försöker skicka ett sista sms innan skärmen blinkar av.

Forskning, som min, fortsätter runt om i världen att tillverka batterier som laddas snabbare, varar längre, och kan laddas och laddas ur många fler gånger än dagens. Men hur mycket du och jag vill, det är omöjligt att göra ett verkligt evigt batteri. Jag har undervisat i termodynamik i mer än 30 år. Än så länge, det finns inget som tyder på att vi kan bryta vetenskapens grundläggande lagar för att få det svårfångade batteriet.

Batteriforskare och ingenjörer kallar huvudproblemet "kapacitetsblekning". Vanliga människor undrar över det med frågor som "Varför håller inte mitt batteri en laddning?" och klagomål som "Jag har precis laddat om den här saken och den är redan ute igen!"

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

För att föreställa sig hur detta fungerar, tänk på batterianvändning som att överföra vatten mellan två koppar. Att använda ett batteri är som att tömma vattnet från en kopp till en annan, och att ladda batteriet innebär att vattnet hälls tillbaka i den första koppen. Även om du gör det en eller två gånger utan att spilla en droppe, det finns alltid bara en liten liten bit kvar i varje kopp som du inte kan hälla ut.

Föreställ dig nu att strömma fram och tillbaka hundratals eller till och med tusentals gånger under en period på två eller tre år (för ett mobiltelefonbatteri) eller 10 till 20 år (för en elbil). Över tid, alla tusentals små och stora saker som går fel sammanlagt till att en hel del vatten försvinner. Även att spilla en knappt synlig droppe – säg en tiondels milliliter – summerar till en hel liter om det händer 10, 000 gånger. Det inkluderar inte ens möjligheten att en kopp går sönder på något sätt som förlorar ännu mer vatten – som att det läcker eller värms upp och orsakar avdunstning.

Precis som vatten oundvikligen försvinner när det hälls upp från en kopp till en annan, det krävs mer energi för att ladda batteriet än vad det faktiskt lagrar, och mindre energi kommer ut än vad som lagras i den. Andelen slösad energi till lagrad energi växer med tiden.

Faktiskt, ju mer du använder ett batteri, ju mer energi går till spillo, och ju tidigare kommer batteriet att nå en punkt där det är urladdat och inte kan laddas på nytt. Jag och andra studerar sätt att få dessa urladdnings-laddningscykler att fungera smidigare för att minska mängden avfall, men termodynamikens andra lag kommer alltid att se till att det inte finns något sätt att bli av med den helt.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.