Jak przedłużyć baterie litowe

Odkryj, co powoduje, że Li-ion się starzeje i co użytkownik baterii może zrobić, aby przedłużyć jego żywotność.

Badania baterii koncentrują się na chemii litu tak bardzo, że można sobie wyobrazić, że przyszłość baterii polega wyłącznie na licie. Istnieją dobre powody, aby być optymistą, ponieważ litowo-jonowy jest pod wieloma względami lepszy od innych chemii. Aplikacje rosną i wkraczają na rynki, które wcześniej były silnie utrzymywane przez kwas ołowiu, takie jak standby i load leveling. Wiele satelitów jest również zasilanych przez Li-ion.

Litowo-jonowy jeszcze nie w pełni dojrzał i wciąż się poprawia. Osiągnięto znaczne postępy w zakresie długowieczności i bezpieczeństwa, podczas gdy wydajność wzrasta stopniowo. Dzisiaj Li-ion spełnia oczekiwania większości urządzeń konsumenckich, ale aplikacje dla pojazdów elektrycznych wymagają dalszego rozwoju, zanim to źródło energii stanie się przyjętą normą.

Co powoduje powstawanie litowo-jonowego?

Akumulator litowo-jonowy działa na zasadzie ruchu jonów między elektrodami dodatnimi i ujemnymi. Teoretycznie taki mechanizm powinien działać na zawsze, ale jazda na rowerze, podwyższona temperatura i starzenie zmniejszają wydajność w czasie. Producenci stosują konserwatywne podejście i określają żywotność Li-ion w większości produktów konsumenckich jako od 300 do 500 cykli rozładowania / ładowania.

Ocena żywotności baterii w cyklach zliczania nie jest rozstrzygająca, ponieważ rozładowanie może różnić się głębokością i nie ma jasno określonych standardów tego, co stanowi cykl. Zamiast liczenia cykli niektórzy producenci urządzeń sugerują wymianę baterii na datowniku, ale ta metoda nie bierze pod uwagę użycia. Bateria może ulec awarii w wyznaczonym czasie z powodu intensywnego użytkowania lub niekorzystnych warunków temperaturowych; jednak większość paczek trwa znacznie dłużej niż wskazuje pieczęć.

Wydajność baterii mierzona jest w pojemności, wiodącym wskaźniku stanu zdrowia. Opór wewnętrzny i samorozładowanie również odgrywają rolę, ale są one mniej znaczące w przewidywaniu końca żywotności baterii za pomocą nowoczesnego Li-ion.

Rysunek 1 ilustruje spadek wydajności 11 baterii litowo-polimerowych, które zostały poddane cyklom w laboratorium Cadex. Komórki kieszeniowe o pojemności 1500 mAh dla telefonów komórkowych były najpierw ładowane z prądem 1500 mA (1 C) do 4,20 V / ogniwo, a następnie nasycane do 0,05 C (75 mA) w ramach pełnego nasycenia ładunku. Akumulatory zostały następnie rozładowane z prędkością 1500 mA do 3,0 V / ogniwo i cykl został powtórzony. Oczekiwana utrata pojemności akumulatorów litowo-jonowych była jednakowa w ciągu 250 cykli, a akumulatory działały zgodnie z oczekiwaniami.

Jedenaście nowych Li-ion zostało przetestowanych na analizatorze baterii Cadex C7400. Wszystkie paczki rozpoczęły się z wydajnością 88-94% i spadły do ​​73-84% po 250 pełnych cyklach rozładowywania. Pakiety torebek 1500mAh są używane w telefonach komórkowych.

Poniższe tabele wskazują straty związane ze stresem związane z litowo-jonowym na bazie kobaltu. Napięcia fosforanu litu i żelaza oraz tytanianu litu są niższe i nie odnoszą się do podanych referencji napięcia.
Chociaż bateria powinna zapewniać 100-procentową wydajność w pierwszym roku użytkowania, często widzi się mniejszą pojemność niż określona, ​​a okres przydatności do spożycia może przyczynić się do tej utraty. Ponadto producenci mają tendencję do przeceniania swoich baterii, wiedząc, że bardzo niewielu użytkowników przeprowadzi kontrole na miejscu i złoży skargę, jeśli będzie niska. Brak konieczności łączenia pojedynczych komórek w telefony komórkowe i tablety, tak jak jest to wymagane w pakietach wielokomórkowych, otwiera zasłony dla znacznie szerszej akceptacji wydajności. Komórki o mniejszej pojemności mogą prześlizgnąć się przez szczeliny bez wiedzy konsumenta.

Podobnie jak w przypadku urządzenia mechanicznego, które zużywa się szybciej przy dużym obciążeniu, głębokość rozładowania (DoD) określa liczbę cykli akumulatora. Im mniejsze rozładowanie (niski poziom DoD), tym dłużej trwa bateria. Jeśli to możliwe, należy unikać pełnych wyładowań i częstsze ładowanie baterii między użyciami. Częściowe rozładowanie na Li-ion jest w porządku. Brak pamięci i bateria nie wymaga okresowych pełnych cykli rozładowania, aby przedłużyć żywotność. Wyjątkiem może być okresowa kalibracja wskaźnika poziomu paliwa na inteligentnej baterii lub inteligentnym urządzeniu.

Tabela 2 zawiera szacunkową liczbę cykli rozładowania / ładowania, jakie Li-ion może dostarczać na różnych poziomach DoD, zanim pojemność baterii spadnie do 70 procent. DoD stanowi pełne naładowanie, po którym następuje rozładowanie do wskazanego poziomu stanu (SoC) w tabeli.

Litowo-jon cierpi na stres, gdy jest wystawiony na działanie ciepła, tak samo zachowuje ogniwo przy wysokim napięciu ładowania. Akumulator w temperaturze powyżej 30 ° C (86 ° F) jest uważany za podwyższoną temperaturę i dla większości Li-ion napięcie powyżej 4.10 V / ogniwo uważa się za wysokie napięcie . Wystawianie baterii na wysoką temperaturę i przebywanie w pełnym stanie naładowania przez dłuższy czas może być bardziej stresujące niż jazda na rowerze. Tabela 3 pokazuje utratę wydajności w funkcji temperatury i SoC.

Większość jonów Lii ładuje się do 4,20 V / ogniwo, a każda redukcja szczytowego napięcia ładowania o wartości 0,10 V / ogniwo ma podwoić czas cyklu. Na przykład ogniwo litowo-jonowe naładowane do 4,20 V / ogniwo zwykle dostarcza 300-500 cykli. Jeśli naładuje się tylko 4.10 V / ogniwo, żywotność można przedłużyć do 600-1000 cykli; 4,0 V / ogniwo powinno dostarczyć 1200-2 000, a 3,90 V / ogniwo powinno zapewnić 2400-4 000 cykli.

Po stronie ujemnej niższe napięcie ładowania szczytowego zmniejsza pojemność akumulatora. Jako prosta wytyczna, każde obniżenie napięcia ładowania o 70mV obniża całkowitą wydajność o 10 procent. Nałożenie szczytowego napięcia ładowania na kolejne ładowanie przywróci pełną pojemność.

Pod względem długowieczności optymalne napięcie ładowania wynosi 3,92 V / ogniwo. Eksperci od baterii uważają, że ten próg eliminuje wszystkie naprężenia związane z napięciem; obniżenie może nie przynieść dalszych korzyści, ale wywołać inne objawy. Tabela 4 podsumowuje pojemność jako funkcję poziomów opłat. (Wszystkie wartości są szacowane, komórki energii z wyższymi progami napięcia mogą się różnić.)

Eksperyment: Chalmers University of Technology, Szwecja, informuje, że użycie obniżonego poziomu naładowania 50% SOC zwiększa oczekiwaną żywotność akumulatora litowo-jonowego pojazdu o 44-130%.

Większość ładowarek do telefonów komórkowych, laptopów, tabletów i aparatów cyfrowych ładuje akumulator litowo-jonowy do 4,20 V / ogniwo. Pozwala to na maksymalną pojemność, ponieważ konsument chce osiągnąć optymalny czas pracy. Z drugiej strony, przemysł jest bardziej zainteresowany długowiecznością i może wybrać niższe progi napięcia. Satelity i pojazdy elektryczne są takimi przykładami.

Ze względów bezpieczeństwa wiele jonów litu nie może przekraczać 4,20 V / ogniwo. (Niektóre NMC stanowią wyjątek.) Podczas gdy wyższe napięcie zwiększa wydajność, przekroczenie napięcia skraca żywotność i zmniejsza bezpieczeństwo. Rysunek 5 pokazuje liczbę cykli jako funkcję napięcia ładowania. Przy 4,35 V, liczba cykli regularnego jonu Li jest przecięta na pół.

Poza wyborem najlepiej dopasowanych progów napięcia dla danego zastosowania, regularny Li-ion nie powinien pozostawać na suficie wysokiego napięcia 4,20 V / ogniwo przez dłuższy czas. Ładowarka Li-ion wyłącza prąd ładowania, a napięcie baterii powraca do bardziej naturalnego poziomu. To jest jak rozluźnienie mięśni po intensywnym wysiłku fizycznym.

Rysunek 6 ilustruje dynamiczne testy obciążeniowe (DST) odzwierciedlające spadek wydajności podczas jazdy na rowerze z jonem litowym przy różnych szerokościach pasma ładowania i rozładowania. Największa utrata mocy występuje podczas rozładowywania całkowicie naładowanego jonu Li do 25 procent SoC (czarny); strata byłaby wyższa, gdyby była w pełni rozładowana. Jazda na rowerze od 85 do 25 procent (zielona) zapewnia dłuższą żywotność niż ładowanie do 100 procent i rozładowanie do 50 procent (ciemnoniebieski). Najmniejszy spadek wydajności osiąga się, ładując litowo-jonowe do 75 procent i rozładowując do 65 procent. To jednak nie w pełni wykorzystuje baterię. Uważa się, że wysokie napięcie i ekspozycja na podwyższoną temperaturę powodują szybszą degradację akumulatora niż jazda w normalnych warunkach.

^{Dzięki uprzejmości: ResearchGate - Modelowanie degradacji akumulatorów litowo-jonowych do oceny żywotności komórek.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Istnieją rozbieżności między tabelami 2 i 6 na podstawie liczby cykli. Nie ma jasnych wyjaśnień, poza zakładaniem różnic w jakości baterii i metodami testowania. Mogą również odgrywać rolę warianty między tanim konsumentem a trwałymi gatunkami przemysłowymi. Utrzymanie zdolności produkcyjnych spadnie szybciej w podwyższonych temperaturach niż w 20ºC.

Tylko pełny cykl zapewnia określoną energię baterii. W przypadku nowoczesnego ogniwa energetycznego jest to 250 Wh / kg, ale cykl życia ulegnie pogorszeniu. Wszystkie z nich są liniowe, wydłużając okres życia w zakresie 85-25 procent, redukują energię do 60 procent, co oznacza moderowanie gęstości energii właściwej od 250 Wh / kg do 150 Wh / kg. Telefony komórkowe to dobra konsumpcyjne, które wykorzystują pełną energię baterii. Urządzenia przemysłowe, takie jak EV, zazwyczaj ograniczają ładunek do 85% i rozładowują do 25%, aby przedłużyć żywotność baterii.

Figura 7 ekstrapoluje dane z Figury 6, aby rozszerzyć przewidywany cykl życia Li-jonu za pomocą programu ekstrapolacji, który zakłada liniowy zanik pojemności baterii z postępującym cyklem. Gdyby to było prawdą, bateria Li-ion w zakresie 75% -25% SoC (niebieski) zanikłaby do 74% pojemności po 14 000 cykli. Jeśli akumulator byłby naładowany do 85% przy takiej samej głębokości rozładowania (zielony), pojemność spadłaby do 64% przy 14 000 cykli, a przy 100% naładowaniu z tym samym DoD (czarny), pojemność spadłaby do 48% . Z nieznanych przyczyn oczekiwana długość życia jest zwykle niższa niż w symulowanym modelowaniu.

Akumulatory litowo-jonowe ładowane są na trzy różne poziomy SoC i modelowane są cykle życia. Ograniczenie zakresu ładowania przedłuża żywotność baterii, ale zmniejsza dostarczaną energię. Odzwierciedla to wzrost wagi i wyższy koszt początkowy.
^{Z pozwoleniem na użycie. Interpolacja / ekstrapolacja według OriginLab.}

^{Producenci baterii często określają żywotność baterii z 80 DoD. Jest to praktyczne, ponieważ baterie powinny zachować pewną rezerwę przed ładowaniem w normalnych warunkach użytkowania. (Patrz BU-501: Podstawy rozładowywania , "Co stanowi cykl rozładowania") Licznik cykli w DST (dynamiczny test obciążeniowy) różni się w zależności od typu baterii, czasu ładowania, protokołu ładowania i temperatury roboczej. Testy laboratoryjne często otrzymują liczby, których nie można uzyskać w terenie.}

Co może zrobić użytkownik?

Warunki środowiskowe, a nie tylko jazda na rowerze, decydują o długowieczności akumulatorów litowo-jonowych. Najgorsza sytuacja to trzymanie w pełni naładowanego akumulatora w podwyższonej temperaturze. Pakiety baterii nie giną nagle, ale środowisko wykonawcze stopniowo się skraca, gdy pojemność zanika.

Niższe napięcia ładowania wydłużają żywotność baterii, a pojazdy elektryczne i satelity wykorzystują to. Podobne przepisy można również wprowadzić w odniesieniu do urządzeń konsumenckich, ale rzadko są one oferowane; Planowane starzenie się to zajmuje.

Akumulator laptopa można przedłużyć przez obniżenie napięcia ładowania po podłączeniu do sieci prądu przemiennego. Aby ta funkcja była przyjazna dla użytkownika, urządzenie powinno być wyposażone w tryb "Long Life", który utrzymuje baterię na poziomie 4,05 V / ogniwo i zapewnia SoC około 80 procent. Na godzinę przed podróżą użytkownik żąda trybu "Full Capacity", aby doprowadzić ładunek do 4,20 V / ogniwo.

Pojawia się pytanie "Czy powinienem odłączyć laptopa od sieci energetycznej, gdy nie jest on używany?" W normalnych okolicznościach nie powinno to być konieczne, ponieważ ładowanie zatrzymuje się, gdy akumulator litowo-jonowy jest pełny. Ładowanie uzupełniające jest stosowane tylko wtedy, gdy napięcie akumulatora spadnie do określonego poziomu. Większość użytkowników nie odłącza zasilania sieciowego, a ta praktyka jest bezpieczna.

Nowoczesne laptopy działają chłodniej niż starsze modele, a zgłaszane pożary są mniejsze. Zawsze utrzymuj przepływ powietrza bez przeszkód podczas pracy urządzeń elektrycznych z chłodzeniem powietrzem na łóżku lub poduszce. Fajny laptop wydłuża żywotność baterii i zabezpiecza wewnętrzne komponenty. Ogniwa energetyczne, które ma większość produktów konsumenckich, powinny być naładowane w temperaturze 1 ° C lub niższej. Unikaj tak zwanych ultra-szybkich ładowarek, które twierdzą, że w pełni ładują Li-ion w mniej niż godzinę.