Как продлить срок службы литий-ионных батарей?
Узнайте, что приводит к старению Li-ion аккумуляторов и что может сделать пользователь для продления их срока службы.
Исследования в области создания аккумуляторов настолько сосредоточены на химии лития, что можно предположить, что будущее аккумуляторов зиждется исключительно на нем. Во многом так и есть. Li-ion аккумуляторы постепенно замещают свинцово-кислотные во многих областях применения.
Литий-ионные аккумуляторы еще не идеальны и продолжают совершенствоваться. Заметные успехи были достигнуты в долговечности и безопасности, в то время как емкость увеличивается постепенно. Именно литий-ионным аккумуляторам обязаны своей популярностью электровелосипеды и электросамокаты.
Что вызывает старение литий-ионных аккумуляторов?
Литий-ионный аккумулятор работает на движении ионов между положительным и отрицательным электродами. Теоретически такой механизм должен работать вечно, но цикличность, повышенная температура и старение снижают производительность с течением времени. Производители придерживаются консервативного подхода и указывают, что срок службы литий-ионных аккумуляторов используемых в большинстве потребительских товаров составляет от 300 до 500 циклов разряда/заряда.
Оценка срока службы батареи по циклам разряда/заряда далека от совершенства, потому что разряд может меняться по глубине и нет четких стандартов того, что составляет цикл. Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств рекомендуют замену батареи после определенной даты, но этот метод не учитывает использование. Батарея может выйти из строя в течение отведенного времени из-за интенсивного использования или неблагоприятных температурных условий; однако, большинство аккумуляторов работает значительно дольше, чем указывают изготовители устройств, где они используются.
Производительность аккумулятора измеряется его емкостью – основным показателем “здоровья”. Внутреннее сопротивление и саморазряд также играют роль, но они менее значимы в прогнозировании окончания срока службы литий-ионного аккумулятора.
На графике №1 показано падение емкости 11 литий-полимерных аккумуляторов, которые были исследованы в лаборатории Cadex. Ячейки емкостью 1500 mAh для мобильных телефонов сначала заряжались током от 1500 mA (1C) до 4,20 V/cell, затем до 0,05С (75 mA). После чего их разряжали при 1500 mA до 3,0 V/cell, после чего цикл повторяли. Ожидаемая потеря емкости литий-ионной батареи была равномерной в течение 250 циклов.
Несмотря на то, что батарея должна обеспечивать 100-процентную емкость в течение первого года службы, обычно наблюдается снижение емкости. Кроме того, производители, как правило, переоценивают свои батареи, зная, что очень немногие пользователи будут делать выборочные проверки и жаловаться.
Подобно механическому устройству, которое изнашивается быстрее при интенсивном использовании, глубина разряда (DoD) влияет на количество циклов батареи. Чем меньше разряд (низкий DoD), тем дольше будет работать батарея без заметной потери емкости. Если это вообще возможно, избегайте полной разрядки аккумуляторов и заряжайте батарею чаще. У Li-ion нет памяти и аккумуляторы не нуждаются в периодических циклах полной разрядки для продления срока службы.
В таблицах 2, 3 и 4 показаны общие тенденции старения обычных литий-ионных аккумуляторов на основе кобальта в зависимости от глубины разряда, температуры и уровня заряда. В таблицах не рассматриваются сверхбыстрая зарядка и разряды с высокой нагрузкой, которые сокращают срок службы батареи. Не все батареи ведут себя одинаково.
Таблица №2 демонстрирует количество циклов разряда/заряда, которые литий-ионные аккумуляторы могут обеспечить при различных уровнях DoD, прежде чем емкость батареи упадет до 70%. Частичный разряд продлевает срок службы батареи, а также частичный заряд.
Литий-ионный аккумулятор подвергается стрессу при воздействии высоких температур. Температура выше 30 °C (86 °F) считается повышенной. Воздействие на батарею высоких температур и длительное время в состоянии полной зарядки может быть более вредным, чем ее эксплуатация. Таблица 3 демонстрирует потерю емкости в зависимости от температуры и состояния заряда (SoC).
Таб. №3
Емкость при хранении Li-ion в течение одного года при различных температурах. Повышенная температура ускоряет постоянную потерю емкости. Не все литий-ионные системы ведут себя одинаково.
С точки зрения долговечности, оптимальное зарядное напряжение составляет 3,92 V/cell. В таблице 4 приведены значения емкости в зависимости от уровня заряда.
Таб. №4
Повышение выше 4,20 V/cell повышает емкость, но приводит к сокращению срока службы батареи и снижает безопасность.
Технологический университет Чалмерса (Швеция), сообщает, что использование пониженного уровня заряда в 50% SоC увеличивает ожидаемый срок службы литий-ионного аккумулятора автомобиля на 44–130%.
Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и цифровых камер рассчитаны на 4,20 V/cell, потому что потребители, как правило хотят заряжать свои батареи под завязку. Промышленность, с другой стороны, больше заботится о сроке службы батарей. Спутники и электромобили, как правило не заряжают батареи до максимума, обычно ограничивая заряд 85% и разряжают до 25%, чтобы продлить срок службы батареи.
Обычные литий-ионные аккумуляторы не должны оставаться под воздействием напряжения 4,20 V/cell в течение длительного времени. Зарядное устройство должно отключать зарядный ток, после чего напряжение аккумулятора возвращается к более естественному уровню. Это похоже на расслабление мышц после напряженной тренировки.
На графике №6 показаны динамические стресс-тесты (DST), отражающие потерю емкости. Наибольшая потеря емкости происходит при разряде полностью заряженного аккумулятора до 25% SoC (черный); при полном разряде потеря будет выше. Цикл от 85 до 25% (зеленый) обеспечивает более длительный срок службы, чем зарядка до 100% и разрядка до 50% (темно-синий). Наименьшая потеря емкости достигается за счет зарядки Li-ion до 75% и разрядки до 65%. Что, к сожалению не позволяет использовать батарею в полной мере.
Существуют расхождения между таблицей №2 и графиком №6 по количеству циклов. Однозначных объяснений этому нет, кроме предположения о различиях в качестве аккумуляторов и методах испытаний. Различия между дешевыми потребительскими и долговечными промышленными элементами также могут играть заметную роль в результатах тестов. Сохранение емкости будет снижаться быстрее при температурах выше 20 ºC.
Ограничение диапазона зарядки продлевает срок службы батареи, но уменьшает количество потребляемой энергии. Что не лучшим образом отражается на увеличении веса и первоначальной стоимости батареи.
Что может сделать пользователь?
Условия окружающей среды, а не только циклы заряда/разряда определяют долговечность литий-ионных аккумуляторов. Худший вариант – хранение полностью заряженного аккумулятора при повышенной температуре.
Использование более низкого напряжения при зарядке продлевает срок службы батареи, электромобили и спутники пользуются этим. Но производители бытовых устройств использующих аккумуляторы не заинтересованы в долгом сроке их службы.
Продлить срок службы батареи ноутбука можно путем снижения зарядного напряжения при подключении к сети переменного тока. Чтобы сделать эту функцию удобной для пользователя, устройство должно иметь режим «Long Life», который держит батарею на уровне 4,05V и предлагает SoC около 80%. За час до поездки в места, где зарядиться не получится пользователь включает режим «Полная емкость», чтобы довести заряд до 4,20V.
Возникает вопрос: «нужно ли я отсоединять свой ноутбук от электросети, когда он не используется?» В нормальных условиях в этом нет необходимости, поскольку зарядка прекращается, когда литий-ионная батарея полностью заряжена. Максимальный заряд применяется только тогда, когда напряжение аккумулятора падает до определенного уровня. Большинство пользователей не отключают питание переменного тока, и эта практика безопасна.
Современные ноутбуки работают круче, чем старые модели, а количество пожаров меньше. Всегда держите доступ к вентилятору открытым, особенно когда ноутбук лежит на кровати. Крутой ноутбук продлевает срок службы батареи и защищает внутренние компоненты. Избегайте так называемых сверхбыстрых зарядных устройств, которые утверждают, что полностью заряжают литий-ионную батарею менее чем за час.
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 | |||||||||||||||||||
