Как продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов
Статья расскажет о том, как можно продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов.
Примечание, конец 2019 год. Методика, изложенная в этой статье, действительно работает, это проверено автором в течении 3-х лет, на дешевом китайском смартфоне (Uhans A101). В течении этих 3-х лет батарея заряжалась по этой методике и эта батарея до сих пор жива. Хотя, конкретно в этой модели смартфона, батареи едва ли год выдерживали. Методика проверена еще и на планшете с батареей в 4000 мАч — в течении более чем 2х лет признаков деградации не наблюдается.
В предыдущей статье (Смартфон с мощным аккумулятором) я писал о том, насколько важна емкость батареи для мобильных устройств. В контексте питания мобильного устройства существует еще один важный аспект, это срок службы литиевых аккумуляторов. Проблема в том, что у li-ion аккумуляторов срок службы имеет ограничения. Причем, в зависимости от условий эксплуатации этот срок может быть даже меньше года, в календарном выражении.
Это связано с тем, что литий-ионная батарея подвержена деградации, как впрочем и любой другой тип аккумуляторов. Такая деградация выражается в прогрессирующем уменьшении емкости батареи с течением времени. Емкость аккумулятора постоянно (во времени) снижается и наконец доходит до такого уровня, когда пользоваться устройством (в котором этот аккумулятор) становится невозможно.
Деградация батареи увеличивает стоимость владения устройством, ведь через какое-то время нужно тратить деньги на ее замену. Более того, может оказаться и так, что устройство окажется вообще нерабочим, если не удастся найти такую же, новую батарею. Вот почему вопрос увеличения срока эксплуатации литий-ионных аккумуляторов так важен.
Особенно это важно применительно к таким устройствам как смартфоны. Для смартфонов характерна интенсивная модель эксплуатации — обычно смартфон включен и работает (хотя и в режиме ожидания) круглые сутки, без выходных и праздников. Кроме того смартфон много времени используется в активном режиме — со включенным экраном и подключением к Интернет. Это приводит к быстрому разряду аккумулятора и необходимости частой зарядки. В зависимости от интенсивности использования и емкости батареи, зарядка батареи смартфона может быть необходима даже каждый день. Поэтому аккумуляторы смартфонов имеют более короткий срок жизни в сравнении например с другими устройствами.
Дело в том, что разрушение аккумуляторов происходит не по календарному времени, а по количеству циклов «заряд и разряд». У аккумуляторов есть ограниченное количество таких циклов, после чего они теряют свою емкость до неприемлемого уровня. Для литиевых аккумуляторов срок службы может колебаться от 300 до 800 циклов «заряд и разряд».
Предположим что в смартфоне установлена дешевая литий-полимерная (li-pol) батарея с ресурсом в 300 циклов. При этом интенсивность использования этого смартфона требует зарядки каждый день. А это означает что батарея этого смартфона «умрет» не прожив даже одного года!
Вот почему важно знать сроки службы литий-ионных аккумуляторов. И не менее важно знать причины их деградации. Для того, чтобы можно было продлить жизнь литий-ионному аккумулятору.
Уже давно, в разных странах, проводят исследования причин разрушения литий-ионных аккумуляторов. И на основании этих исследований совершенствуются сами литий-ионные аккумуляторы, а также алгоритмы их использования. Наука и техника не стоят на месте и сегодня характеристики литий-ионных аккумуляторов во много раз превосходят те, что были 20 или 30 лет назад.
Однако и мы сами, пользователи мобильных устройств, тоже можем увеличить срок службы li-ion аккумулятора за счет его правильной эксплуатации. Которая сокращает факторы разрушающие li-ion батареи. Но для этого нужно знать эти факторы.
Существует много научных исследований на эту тему. Например есть неплохая статья, которая суммирует несколько исследований японских ученых — Charging — research and methodology. Она на английском языке и довольно большая. Я здесь даю краткое изложение этой статьи. Самые важные аспекты.
Итак, главные факторы, разрушающие li-ion батарею.
Напряжение батареи
Напряжение внутри батареи. То есть разница потенциалов между анодом и катодом. Деградация плавно увеличивается после напряжения 3.92 вольта. Однако при напряжения выше 4.2 вольта деградация резко увеличивается. Если напряжение не превышает 4.2 вольта, литий-ионная батарея, плавно теряя свою емкость, может выдержать более 600 циклов. Но при напряжении 4.35 вольта эта же батарея не выдержит и 300 циклов.
Этот разрушительный фактор начинает действовать уже на этапе зарядки. Обычно алгоритм зарядки состоит из двух этапов:
- Первый этап — зарядка с постоянным током и повышающимся до максимального напряжением.
- Второй этап — зарядка с уменьшающимся током, но с поддержанием постоянного (максимального) напряжения. То есть на втором этапе зарядки уже начинает действовать разрушающий фактор высокого напряжения.
Далее, этот фактор может действовать и после зарядки, если батарея долгое время находится в полностью заряженном состоянии. Например полностью заряженный смартфон долго находится в режиме ожидания (без активного использования). То есть с максимальным напряжением. При активном использовании напряжение на батарее быстро снижается.
У большинства современных литий-ионных аккумуляторов напряжение, при полном заряде аккумулятора, превышает 4.2 вольта и может доходить до 4.35 вольт. Причем есть постоянная тенденция к увеличению напряжения на литий-ионных аккумуляторах.
Для чего производители увеличивают напряжение аккумуляторов? Для того чтобы увеличить удельную емкость аккумуляторов. Удельная емкость это емкость в отношении к размеру и весу батареи.
Условно говоря, если ограничить максимальное напряжение литий-ионного аккумулятора, скажем значением 3.9 вольта, тогда его емкость будет 1500 мАч. А если максимальное напряжение поднять до 4.35 вольт, тогда емкость этого же аккумулятора возрастет до 3000 мАч. Цифры в этом примере условные. Увеличение удельной емкости (повышение напряжение батареи) позволяет уменьшать размеры и вес батарей, а также их стоимость. Вот так, просто повысив напряжение батареи, производитель смартфона может указать в спецификации более красивую цифру емкости аккумулятора!
В качестве примера можно рассматривать почти любой современный смартфон, от самых дешевых до дорогих. Несколько примеров:
- Uhans A101, стоимость в районе 50 долларов. У него емкость батареи 2600 мАч. Но когда эта емкость достигается, напряжение на батарее 4.35 вольта. А при напряжении 3.9 вольта, эта батарея имеет примерно 50% своей паспортной емкости, то есть в районе 1300 мАч.
- Xiaomi Redmi 7A, стоимость в районе 100 долларов. У него емкость батареи 4000 мАч. И при 100% заряда напряжение на батарее 4.37 вольта. А при напряжении 3.9 вольта, эта батарея имеет примерно 55% своей паспортной емкости.
- Samsung Galaxy A50, , стоимость более 200 долларов. При полном заряде (4000 мАч), напряжение тоже выше 4.3 вольт (4.33 вольта). А напряжение 3.9 вольта достигается примерно на 60% заряда.
Итак. Для того, чтобы продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов необходимо следить за напряжением аккумулятора. Оно не должно превышать 4.2 вольта. А если его держать не более 3.9 вольта тогда будет еще лучше — деградация литиевой батареи начинается после 3.9 вольт.
Как можно следить за напряжением аккумулятора в смартфоне?
Все, или почти все, современные смартфоны имеют, в своей схемотехнике цифровой вольтметр. И показания этого вольтметра можно узнать с помощью прикладной программы. Для Андроид есть хорошее приложение — GSam Battery Monitor. Эта программа показывает напряжение, температуру, текущую емкость, а также расход емкости. И перечисляет «жрунов» батареи. Используя эту программу, можно контролировать процесс зарядки не допуская превышения напряжения сверх 4.2 вольта.
На скриншоте показания напряжения на батарее планшета. Емкость батареи 4000 мАч, однако по своим габаритам и весу эта батарея не имеет ничего общего, с батареями 4000 мАч, которые ставят в смартфоны. Она сама размером почти в смартфон и весом как смартфон. И то, что это совсем другая батарея видно по вольтажу, при 51% заряда, напряжение всего лишь 3.78 вольт.
Если батарея съемная, показания встроенного вольтметра смартфона можно проверить внешним вольтметром. Проверить напряжение встроенным вольтметром, затем снять батарею и проверить напряжение внешним вольтметром. После этого установить батарею в смартфон и снова проверить напряжение через встроенный вольтметр.
Нужно понимать, что если вы будете ограничивать максимальное напряжение батареи, плата за это будет снижение ее емкости. Поскольку вам придется заряжать ее не до конца (не до ее полной паспортной емкости). И в зависимости от модели смартфона и батареи, снижение емкости может быть существенным. Например на дешевом китайском смартфоне Uhans A101 напряжение при полном заряде аккумулятора равно 4.35 вольта. А при напряжении 4.2 вольт этот аккумулятор имеет емкость менее 70%. То есть, в этом случае, для поддержания относительно безопасного напряжения, емкость аккумулятора придется снижать примерно на 30%!
Величина зарядного тока
Следующий разрушительный фактор это величина зарядного тока, который подается на литий-ионный аккумулятор. Чем выше зарядный ток, тем сильнее разрушается батарея. Наименьшая деградация при токе зарядки 1С или меньше. Даже при незначительном повышении тока зарядки, например 1.4С, срок жизни литий-ионного аккумулятора уменьшается очень сильно.
Формула силы тока 1С означает привязку силы тока к емкости батареи. Например для батареи емкостью 1000 мАч ток 1С будет равен 1 ампер (1000 миллиампер). Соответственно для батареи емкостью 1500 мАч ток 1С будет равен 1.5 ампера.
Этот фактор становится все более значимым, поскольку производители соревнуются, среди прочего, и за скорость зарядки устройства. А скорость зарядки увеличивается за счет увеличения тока зарядки. В 2019 году не редкость зарядные устройства с током зарядки 4 Ампера. Даже если такой ток (4 Ампера) используется на емкой батарее, например 4000 мАч и соотношение не превышает 1С, все равно безболезненно это не проходит.
Температура батареи
Следующий разрушительный фактор это температура литий-ионного аккумулятора. Чем она выше, тем короче будет срок службы батареи. Температура может повышаться за счет внешнего нагрева — если устройство лежит на солнечном свете (летом) или возле источника отопления. Температура также может повышаться при интенсивной зарядке или разрядке. Работа устройства с высокой нагрузкой, например игра. Или зарядка батареи большим током (более 1С).
В литий-ионные аккумуляторы встраивают контроллеры, которые постоянно проверяют напряжение ячеек, а также их температуру. Однако в дешевых аккумуляторах, датчик температуры часто не ставят. И в таком случае нужно следить за температурой батареи на ощупь.
Проверить наличие датчика температуры аккумулятора, в вашем смартфоне, можно при помощи той же программы GSam Battery Monitor. Если она показывает одну и ту же температуру при разной нагрузке (режим ожидания, активное использование и зарядка) значит датчика температуры в батарее нет. Если показания температуры изменяются — значит датчик есть.
Кроме повышенной температуры вредна и зарядка аккумулятора большим током при окружающей температуре ниже 5-10 градусов Цельсия.
Перезаряд батареи
Литий-ионные аккумуляторы критичны к перезаряду. Если, после полного заряда, продолжать подачу зарядного тока, батарея быстро выйдет из строя. Для предотвращения перезаряда, все литий-ионные аккумуляторы имеют встроенный контроллер, который разрывает цепь зарядки, после того, как аккумулятор заряжен. Однако в дешевых аккумуляторах такого контроллера может не быть. Кроме того такой контроллер может выйти из строя. И тогда аккумулятор быстро «погибнет» от перезаряда.
Резюме
Главные факторы которые сокращают службы литий-ионных аккумуляторов:
- Напряжение батареи выше 4.2 вольта. В действительности деградация начинается при напряжении 3.9 вольт, но после 4.2 вольта она резко прогрессирует.
- Ток зарядки выше 1С.
- Температура батареи выше 30 градусов.
- Перезаряд.
Следите, при помощи какого-либо приложения, за напряжением в процессе зарядки батареи. Отключайте зарядку, когда напряжение приближается к 4.2 вольта. Если есть такая возможность то даже при 3.9 вольта, уже нужно отключать зарядку. Но это может значительно снизить рабочую емкость аккумулятора.
Так же при помощи приложения следите за током зарядки. Лучше всего заряжать током силой менее 1С. Например через USB порт компьютера, поскольку на портах компьютера обычно есть ограничение по току.
Следите за температурой. Не оставляйте ваше устройство на ярком солнечном свете. Не оставляйте ваше устройство вблизи сильных источников тепла. Следите за температурой батареи при интенсивной нагрузке (например в играх или во время зарядки).
Не оставляйте ваше устройство без присмотра на зарядке, чтобы избежать возможной перезарядки аккумулятора (в случае выхода из строя контроллера батареи). Особенно рискованно оставлять устройство на зарядке на ночь, если контроллер батареи выйдет из строя, вы гарантировано получите перезаряд батареи и например вздутие аккумулятора.
Хранение литий-ионных аккумуляторов
Если планируется долго хранить устройство или отдельно аккумулятор, то перед таким хранением нужно узнать напряжение аккумулятора и если оно выше чем 3.9 вольта, тогда нужно разрядить его до тех пор пока напряжение на нем не уменьшится до 3.9 или 3.8 вольт.
Если же оставить на хранении аккумулятор при напряжении более 4.2 вольт, тогда, через несколько месяцев он может значительно разрушиться.
С завода литий-ионные аккумуляторы (в режиме хранения) обычно выпускаются заряженными лишь частично — до напряжения 3.7 — 3.8 вольта.
Источник
Как продлить жизнь литиевым аккумуляторам
Выясним, каковы причины старения литий-ионного аккумулятора, и что может сделать пользователь, чтобы продлить его жизнь
Исследователи батарей настолько фокусируются на литиевых аккумуляторах, что кто-то может вообразить, что будущее исключительно за ними. Для оптимизма, действительно, есть веские причины, поскольку литий-ионные аккумуляторы во многих отношениях превосходят другие типы. Количество устройств растет, и они вторгаются на рынки, которые ранее прочно удерживались свинцово-кислотными аккумуляторами. Многие спутники в качестве источника питания также используют литий-ионные аккумуляторы.
Литий-ионные аккумуляторы еще не достигли полной зрелости, и работы по улучшению их характеристик продолжаются. Очевиден значительный прогресс в долговечности и безопасности, в то время как емкость растет постепенно. Сегодня литий-ионный аккумуляторы соответствуют ожиданиям большинства потребительских устройств, однако аккумуляторы для электротранспорта нуждаются в дальнейшем совершенствовании, прежде чем этот источник питания станет общепринятой нормой.
Каковы причины старения литий-ионного аккумулятора?
Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на перемещении ионов между положительным и отрицательным электродами. В теории такой механизм должен работать вечно, но циклы заряда-разряда, повышенная температура и старение со временем ухудшают рабочие характеристики. Производители придерживаются осторожного подхода и для большинства потребительских продуктов указывают срок службы литий-ионных аккумуляторов между 300 и 500 циклами заряда/разряда.
Однако оценку срока службы аккумулятора на основании подсчета циклов нельзя считать бесспорной, поскольку глубина разряда может варьироваться, и четких стандартов, определяющих, что представляет собой цикл, не существует (см. [1]). Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств предлагают заменять аккумулятор, ориентируясь на маркировку даты выпуска, но этот метод не принимает во внимание интенсивность его использования. Аккумулятор может выйти из строя раньше отведенного времени из-за активного использования или неблагоприятных температурных условий. Тем не менее, большинство аккумуляторов служит значительно дольше, чем показывает маркировка даты.
Характеристики аккумулятора определяются емкостью – основным показателем его здоровья. Внутреннее сопротивление и саморазряд тоже играют роль, но не столь значимую для предсказания конца срока службы современного литий-ионного аккумулятора.
 | |
| Рисунок 1. | Снижение емкости как следствие циклической работы. Одиннадцать новых литий-ионных аккумуляторов были протестированы анализатором аккумуляторов Cadex C7400. Начальная емкость всех батарей составляла 88–94%, и уменьшилась до 73–84% после 250 циклов полного разряда. |
Рисунок 1 иллюстрирует снижение емкости 11 литий-ионных аккумуляторов, протестированных в лаборатории Cadex. Пакетные элементы для мобильных телефонов емкостью 1500 мА×ч первоначально были заряжены током 1500 мА (1C) до напряжения 4.2 В на элемент, после чего подзаряжались до полного насыщения током 75 мА (0.05C). Затем током 1500 мА аккумуляторы были разряжены до 3 В на элемент, и цикл повторялся. Потеря емкости происходила равномерно на протяжении всех 250 циклов, и поведение аккумуляторов соответствовало ожиданиям.
Несмотря на то, что в течение первого года службы аккумулятор должен обеспечивать 100-процентную емкость, совершенно обычной является ситуация, когда фактическая емкость оказывается ниже указанной, и время хранения на складе может вносить в эту потерю свой вклад. В дополнение, производители склонны давать завышенную оценку своим аккумуляторам, заведомо зная, что очень немногие потребители будут делать выборочные проверки и предъявлять претензии, если емкость окажется низкой. Не обладающие потребительским опытом пользователи могут приобрести аккумуляторы с пониженной емкостью.
Аналогично тому, как механическое устройство изнашивается быстрее при интенсивном использовании, глубина разряда определяет количество циклов перезаряда аккумулятора. Чем меньше глубина разряда, тем дольше прослужит аккумулятор. По возможности следует избегать полных разрядок и чаще заряжать аккумулятор между использованиями. Неполный разряд полезен для литий-ионного аккумулятора. У него отсутствует эффект памяти, поэтому циклы полного разряда для продления жизни аккумулятору не нужны. Исключением может быть периодическая калибровка измерителя уровня заряда на «умной батарее» или интеллектуальном устройстве.
В Таблице 1 показана зависимость от глубины разряда количества циклов перезаряда, за которые емкость аккумулятора упадет до 70 процентов. Все остальные параметры, такие как напряжение заряда, температура и общие токи по умолчанию установлены в средние значения.
| Таблица 1. | Зависимость количества циклов перезаряда от глубины разряда. Неполный разряд продлевает срок службы аккумулятора. Повышенная температура и высокие токи также оказывают негативное влияние на ресурс аккумулятора. | |||||||||||||||
| ||||||||||||||||
Высокая температура, так же как и высокое напряжение заряда, оказывают неблагоприятное воздействие на состояние литий-ионного аккумулятора. Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура окружающей среды считается повышенной начиная с 30 °C, а напряжение более 4.1 В на элемент рассматривается как высокое. Воздействие на аккумулятор высокой температуры и длительное хранение в полностью разряженном состоянии могут иметь более губительные последствия, чем циклы заряда и разряда. Таблица 2 иллюстрирует зависимость потери емкости от температуры и уровня заряда.
| Таблица 2. | Оценочные значения восстанавливаемой емкости после хранения литий-ионного аккумулятора в течение одного года при различных температурах. Повышенная температура ускоряет потерю емкости. Не все типы литий-ионных аккумуляторов ведут себя так же. | |||||||||||||||
| ||||||||||||||||
Большинство литий-ионных аккумуляторов заряжается до 4.2 В на элемент, и каждое снижение этого напряжения на 0.1 В удваивает их ресурс. Например, литий-ионный элемент, заряжаемый до 4.2 В, обычно выдерживает 300…500 циклов перезаряда. Если же он заряжается только до 4.1 В, срок службы может быть продлен до 600…1000 циклов, 4.0 В должны обеспечить 1200…2000, а 3.9 В – 2400…4000 циклов.
Негативной стороной такого подхода является уменьшение количества заряда, запасаемого в аккумуляторе. Снижение напряжения заряда на 70 мВ уменьшает общую емкость на 10%. Последующая зарядка до предельного напряжения восстанавливает полную емкость.
С точки зрения долговечности оптимальным напряжением заряда является 3.92 В на элемент. Эксперты считают, что при таком уровне порога исключаются все неблагоприятные факторы, связанные с напряжением аккумулятора. Дальнейшее снижение порога не даст дополнительного выигрыша, зато может привести к другим негативным последствиям (см. [3]). В Таблице 3 приведена зависимость емкости от уровня заряда. (Все значения оценочные; параметры элементов с более высокими пороговыми напряжениями могут отличаться от истинных).
| Таблица 3. | Зависимость количества циклов разряда и емкости от предельного напряжения заряда. Каждое снижение на 0.1 В от уровня 4.2 В удваивает количество циклов перезаряда, но уменьшает емкость. Напряжение, превышающее 4.2 В на элемент, может сократить срок службы аккумулятора. Снижение напряжения заряда на 70 мВ уменьшает емкость на 10%. | ||||||||||||||||||
Помимо того, что для каждого конкретного приложения требуется подбор наиболее подходящих порогов напряжения, обычный литий-ионный аккумулятор нельзя оставлять надолго под высоким напряжением 4.2 В. Поэтому зарядное устройство отключает зарядный ток, позволяя напряжению аккумулятора вернуться к более естественному уровню. Это напоминает расслабление мышц после напряженной тренировки [4]. Что может сделать пользователь?На долговечность литий-ионных аккумуляторов влияют не только циклы перезаряда, но и условия окружающей среды. Наихудшей ситуацией является хранение полностью заряженного аккумулятора при повышенных температурах. Аккумуляторы не умирают внезапно, но их ресурс сокращается постепенно, по мере снижения емкости. Более низкие напряжения заряда продлевают срок службы аккумулятора, что учитывают разработчики электротранспорта и спутников. Аналогичный подход мог бы использоваться и в отношении потребительских устройств, но такое бывает нечасто, и обычно заменяется учетом планируемого старения. Срок службы аккумулятора ноутбука можно продлить, снизив напряжения заряда, когда он подключен к сети переменного тока. Чтобы сделать такую функцию дружественной для пользователя, устройство должно иметь режим «Долгая Жизнь», который будет поддерживать напряжение аккумулятора равным 4.05 В на элемент, обеспечивая емкость порядка 80 процентов. За час до путешествия пользователь включает режим «Полная Емкость», чтобы довести заряд до 4.2 В на элемент. Нередко можно услышать вопрос: «Должен ли я отключать свой ноутбук от электрической сети, когда он не используется?» В обычных условиях это необязательно, поскольку по достижении литий-ионным аккумулятором полного заряда его зарядка прекращается. Подзарядка возобновляется только тогда, когда напряжение аккумулятора снижается до определенного уровня. Большинство пользователей не отключают блок питания, и такая практика безопасна. Современные ноутбуки греются меньше, чем старые модели, и сообщения о возгораниях поступают реже. Если работающие электрические устройства с воздушным охлаждением находятся на постели или подушке, всегда следите за тем, чтобы вентиляционные отверстия не были закрыты. Прохладный ноутбук продлевает срок службы аккумулятора и внутренних компонентов. Элементы большинства потребительских устройств должны заряжаться током 1C или меньше. Избегайте так называемых сверхбыстрых зарядных устройств, которые, по утверждению производителей, способны полностью зарядить аккумулятор быстрее чем за час. СсылкиПеревод: Семен Воробьев по заказу РадиоЛоцман Источник | |||||||||||||||||||
