Старение литий ионных аккумуляторов

Статья-заметка, включающая в себя некоторые особенности эксплуатации литиевых аккумуляторов. Включает в себя описание нескольких мифов про данный тип аккумуляторов и особенности основных этапов эксплуатации, которые помогут продлить их жизнь.

Первый заряд

Миф: После покупки нового устройства аккумулятор требуется заряжать минимум 3-5-10 часов.

Откуда пошел этот миф мне неизвестно. По факту зарядное устройство любой литиевый аккумулятор заряжает за определенный промежуток времени, а затем отключается. То есть если мы оставляем аккумулятор заряжаться N-часов, то он заряжается за 2 часа, а затем N-2 часов зарядка просто отключена. Еще стоит сказать, что новый аккумулятор должен поставляться с уровнем заряда 30-50%. То есть, если Вы покупаете телефон, а он с разряженным в ноль аккумулятором (вообще не реагирует), советую Вам задуматься. В большинстве случаев, аккумулятор нормально зарядится и будет работать, вот велик шанс, что Вы на новом устройстве получите аккумулятор с емкостью 80% от номинала.

Но особенно непонятным для меня остается подобная рекомендация от производителей техники. К примеру, ниже есть выдержка из инструкции к электроинструменту AEG. Мало того, что рекомендуют заряжать долго, так еще и заявляют, что емкость наберется только через несколько циклов заряд-разряд. Такое ощущение, что первая половина рекомендаций перекочевала из инструкции от версии инструмента с Ni-Cd аккумулятором, а часть после была дописана при переходе на Li-Ion.

Хотя заряжать устройство дольше положенного первый раз может быть полезно для аккумуляторов, собранных из нескольких последовательных банок. Длительный цикл заряда в данном случае гарантирует то, что аккумулятор будет как следует отбалансирован.

Тренировка

Миф: Новый аккумулятор требуется первые несколько циклов полностью разрядить-зарядить, чтобы он набрал номинальную емкость.

Скорее всего данный миф возник из-за субъективного восприятия времени работы нового устройства. Сами вспомните, вы покупаете новый телефон и по началу активно играетесь с ним, понятное дело что он быстро разряжается. Затем использование устройства постепенно выходит на нормальный уровень, стабилизируется и время работы, причем на некоторой большей величине. Поэтому и имеем ощущение, что аккумулятор потихоньку раскачался.

Реально же, раскачать можно аккумуляторы на основе никеля и свинца, т.к. химические процессы в них частично обратимы. В случае литиевых аккумуляторов обратить, к сожалению, ничего нельзя, можно только замедлить (об этом ниже).

А вообще, за подробностями проходите сюда.

Нереальные емкости

Миф: Маркировки 100500мАч на корпусе аккумулятора.

Не совсем миф, просто факт наличия в продаже усиленных аккумуляторов с вкусными х-ками. Причем прослеживается зависимость: чем ниже стоимость, тем наглее производитель и большие цифры он рисует на теле аккумулятора.

Если посмотреть описание по ссылке, там есть характеристика «actual capacity». Это не опечатка, аккумулятор в реальности имеет емкость в 10 раз ниже заявленной. В данном случае, маркировка — это откровенный обман производителя.

Чтобы понять, какие в настоящий момент возможны максимальные емкости аккумуляторов тех или иных типоразмеров. Если кто-то предлагает аккумулятор в том же размере. Мало того, о качестве аккумуляторов говорит их вес. Конечно, технологии не стоят на месте, но чтобы понять, где в текущий момент ее передовая, достаточно посмотреть, что предлагают крупные производители аккумуляторов (к примеру, Samsung, Panasonic, Sanyo).

В текущий момент максимальную емкость имеют аккумуляторы Panasonic NCR18650B, для них это значение составляет 3400мАч. И даже в этом случае производитель немного лукавит, считая емкость для экстремально широкого диапазона разрядных напряжений: с 4.2В до 2.75В, на таком диапазоне никакая техника обычно не работает, ограничивая разряд либо значением 3.0В, либо вовсе 3.3В (в мобильных телефонах).

Заряд

Любое правильное зарядное устройство для литиевого аккумулятора должно работать по алгоритму CC-CV (Constant Current — Constant Voltage). Это означает, что в начале аккумулятор заряжается постоянным током (обычно не превышающим численное значение емкости аккумулятора). Когда напряжение на нем достигает требуемой величины (4.1, 4.2, 4.35В в зависимости от типа), зарядное устройство должно переходить в режим поддержания напряжения, с этого момента напряжение поддерживается постоянным, а зарядный ток постепенно падает.

Есть еще интересный момент. К примеру, имеем аккумулятор с конечным напряжением заряда 4.2В. Производитель заявляет для него 300 циклов заряд-разряд (т.е. через 300 циклов аккумулятор должен потерять не более 20% емкости). Если мы будем каждый раз заряжать аккумулятор до 4.25В (т.е. чуть перезаряжать, схема защиты аккумулятора при таких перезарядах еще не срабатывает), тогда число циклов уменьшится до 100, а если до 4.15В (т.е. теряя несколько процентов емкости), то число циклов увеличится до 500.

Граница здесь получается довольно маленькой, около 0.05В. Лично мое мнение, это одна из причин, почему в одном сотовом телефоне аккумулятор живет 1-2 года, а в другом потеря емкости начинает ощущаться только после 3-4 лет эксплуатации.

Разряд

Минимально допустимое напряжение при разряде устанавливается производителем аккумулятора. Обычно это значение лежит в пределах 2.5-2.7В. Ниже этого значения в аккумуляторе начинаются необратимые химические процессы, приводящие к необратимой потере емкости. Здесь все индивидуально, какой-то аккумулятор после ухода ниже потеряет 20% емкости, что может быть почти незаметно, а какой-то может потерять все 80%, то есть станет почти непригодным к использованию.

Очень интересен мой собственный опыт восстановления аккумуляторов после глубокого разряда. Имелась выборка из 40 литиевых банок Samsung INR18650 из 2х утопленных аккумуляторов от перфоратора. Первая сортировка банок была следующим образом: более 2.7В и менее 2.7В. Те, что имели напряжение более 2.7В были сразу отмечены как исправные. Далее шли разряженные. Это были аккумуляторы с напряжением 0-100мВ и 0.5-1.5В.

По итогу восстановления, те что имели хоть какое-то остаточное напряжение неплохо взяли заряд, сохранив более 50% изначальной емкости, а те что имели напряжение менее 100мВ, заряжаться отказывались: при зарядке вели себя как низкоомный резистор (таким образом можно предположить, что у них произошло внутреннее замыкание).

Вообще, в теории, зарядка такого «убитого» литиевого аккумулятора опасный процесс: при внутри у него начинает кристаллизоваться металлический литий и он нарастает на электроде. Таким образом, возможно замыкание аккумулятора. Если замыкание происходит в разряженном состоянии, тогда выделяется немного энергии, а вот если оно произойдет, когда аккумулятор полный, фейерверк обеспечен. Однако, подобных случаев мне неизвестно.

Хранение

Главный недостаток литиевого аккумулятора — он подвержен старению. Данный процесс необратим и запускается со дня производства аккумулятора. Старение проявляется постепенной потерей емкости. То есть кроме изнашивания в процессе эксплуатации, аккумулятор сам по себе теряет какую-то часть своей емкости. Обычно это значение в пределах 10% в год.

Что же влияет на скорость старения? В первую очередь это:

Уровень заряда, который находится в аккумуляторе в процессе эксплуатации.
Температура хранения.

Высокие температуры противопоказаны, при высоких эксплуатационных температурах аккумулятор деградирует быстрее, да и при хранении стареет быстрее.

Так же производителями рекомендуется хранить аккумулятор с уровнем заряда 30-50%, выше — скорость деградации увеличивается, ниже — есть риск уйти в переразряд. Официальная рекомендация AEG на этот счет:

То есть, попользовались зарядили (чтобы не было полных циклов), а пользоваться долго не планируем — разрядили до половины и храним. Кстати, некоторые Li-Po аккумуляторы при хранении со 100% зарядом имеют обыкновение разбухать.

Очень информативна данная таблица:

Как из нее видно, чтобы максимально снизить скорость старения, требуется: зарядить аккумулятор на половину и хранить при низкой температуре. С температурой главное не переусердствовать. Минимальная для литиевых аккумуляторов около -20С, при более низких есть риск заморозить электролит, что приведет к полной неработоспособности аккумулятора. Разумная температура 0-10С, т.е. то что имеется в камере холодильника (не морозилке!).

Хранение лития в холодильнике — практика, распространяющаяся среди авиамоделистов, есть темы где идет обсуждение этого процесса (к примеру эта). С недавнего времени, у меня появилось довольно много литиевых аккумуляторов для инструмента, которые в полном объеме требуются раз в несколько месяцев. Поэтому захотелось продлить аккумуляторам жизнь. Для этого купил пластиковые герметичные контейнеры и силикагель. Последний необходим потому что при понижении температуры воздуха в замкнутом объеме влажность повышается (вплоть до выпадения росы). Эту избыточную влажность необходимо поглотить.

Итого все выглядит так:

Ссылки

О сайте

Подборка статей и отчетов о различных математических и электронных экспериментах.

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.

Глубина разряда		Циклы разряда
100%	300 … 500
50%	1,200 … 1,500
25%	2,000 … 2,500
10%	3,750 … 4,700

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.

Температура	Заряд 40%	Заряд 100%
0 °C	98%	94%
25 °C	96%	80%
40 °C	85%	65%
60 °C	75%	60% (после 3-х мес.)

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%.

[114%]

86%

72%

Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и цифровых камер заряжают литий-ионный аккумулятор до напряжения 4.2 В на элемент. Это позволяет закачать максимальный заряд, поскольку потребителю не нужно ничего, кроме оптимального времени работы. С другой стороны, промышленность, больше заинтересована в долговечности устройств и может выбирать более низкие пороги напряжений. Такими примерами могут служить cпутники и электротранспорт.

Для многих литий-ионных аккумуляторов соображения безопасности не позволяют превышать напряжение 4.2 В на элемент. (Исключением являются некоторые литий-никель-кобальт-марганцевые аккумуляторы). С одной стороны более высокое напряжение увеличивает емкость, но с другой – сокращает срок службы и снижает уровень эксплуатационной безопасности. Рисунок 2 демонстрирует зависимость количества циклов от напряжения заряда. При напряжении 4.35 В количество циклов обычного литий-ионного аккумулятора сокращается вдвое.

Уровень заряда (В/элемент)	Циклы разряда	Емкость при полном заряде
[4.30]	[150 … 250]
4.20	300 … 500	100%
4.10	600 … 1,000
4.00	1,200 … 2,000
3.92	2,400 … 4,000


Рисунок 2.	Влияние повышенного напряжения заряда на срок службы. Более высокое напряжение заряда увеличивает емкость, но сокращает срок службы и снижает уровень безопасности.

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.

Ссылки

Перевод: Семен Воробьев по заказу РадиоЛоцман

Источник