Как продлить срок службы литиевых аккумуляторов

Фокус на литии

Исследования аккумуляторов настолько сосредоточены на химических составляющих лития, что можно представить, что будущее аккумуляторов исключительно за литием. Есть веские основания для оптимизма, поскольку литий-ионные аккумуляторы во многом превосходят другие химические составы. Применения растут и вторгаются на рынки, которые ранее прочно удерживались свинцово-кислотными аккумуляторами, такие как резервный режим работы и выравнивание нагрузки. Многие спутники также питаются от литий-ионных аккумуляторов.

Развитие технологии

Литий-ионный аккумулятор еще не полностью развит и продолжает совершенствоваться. Заметных успехов удалось достичь в долговечности и безопасности, в то время как емкость постепенно растет. Сегодня литий-ионный аккумулятор отвечает ожиданиям большинства потребительских устройств, но его применение в электромобилях требует дальнейшего развития, прежде чем этот источник питания станет общепринятой нормой.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Уход за аккумуляторами

Как человек, ухаживающий за аккумулятором, у вас есть выбор, как продлить срок его службы. Каждая система имеет уникальные потребности в скорости зарядки, глубине разряда, нагрузке и воздействии температуры. Важно понимать, что вызывает потерю емкости, как влияет внутреннее сопротивление, что делает повышенный саморазряд и насколько низко можно разрядить аккумулятор. Вас также могут заинтересовать основы тестирования аккумуляторов.

Причины старения

Литий-ионный аккумулятор работает на основе движения ионов между положительным и отрицательным электродами. Теоретически такой механизм должен работать вечно, но циклическая разрядка/зарядка, повышенная температура и старение со временем снижают его производительность. Производители применяют консервативный подход и указывают срок службы литий-ионного аккумулятора в большинстве потребительских товаров на уровне от 300 до 500 циклов разряда/заряда.

Срок службы и емкость

В 2020 году небольшие аккумуляторы обеспечивали около 300 циклов, современные смартфоны — более 800, а наибольший прогресс наблюдается в аккумуляторах для электромобилей, где речь идет о «миллионе миль» и около 5000 циклов. Оценка по циклам не всегда точна: глубина разряда, интенсивность использования и температура имеют решающее значение.

Оценка срока службы батареи по подсчету циклов не является окончательной, поскольку глубина разряда может отличаться, и нет четко определенных стандартов того, что считается циклом. Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств предлагают заменять батарею по дате разряда, но этот метод не учитывает использование. Аккумулятор может выйти из строя в течение отведенного времени из-за интенсивного использования или неблагоприятных температурных условий, однако большинство аккумуляторов служат значительно дольше, чем указано на дате разряда.

Потеря емкости

Производительность аккумулятора измеряется емкостью, которая является ведущим показателем исправности. Внутреннее сопротивление и саморазряд также играют определенную роль, но они менее существенны для прогнозирования конца срока службы современных литий-ионных аккумуляторов.

На рисунке 1 показано падение емкости 11 литий-полимерных аккумуляторов, прошедших циклы разрядки/зарядки в лаборатории Cadex. Пакеты-элементы емкостью 1500 мАч для мобильных телефонов сначала заряжали током 1500 мА (1С) до 4,20 В/элемент, а затем насыщали до 0,05С (75 мА) в рамках полного насыщения заряда. Затем аккумуляторы разряжали током 1500 мА до 3,0 В/элемент, и цикл повторяли. Ожидаемая потеря емкости литий-ионных аккумуляторов была равномерной в течение 250 циклов разрядки/зарядки, и аккумуляторы работали должным образом.

Рисунок 1: Падение емкости как часть циклического движения

Одиннадцать новых литий-ионных аккумуляторов были протестированы на анализаторе аккумуляторов Cadex C7400. Все аккумуляторы начинали с емкости 88–94% и снижались до 73–84% после 250 полных циклов разряда. Пакеты-аккумуляторы емкостью 1500 мАч используются в мобильных телефонах.

Хотя аккумулятор должен обеспечивать 100-процентную емкость в течение первого года службы, часто случаются случаи, когда емкость ниже указанной, и срок годности может способствовать этой потере. Кроме того, производители склонны переоценивать свои аккумуляторы, зная, что очень немногие пользователи будут проводить выборочные проверки и жаловаться, если заряд низкий. Отсутствие необходимости использовать отдельные элементы в мобильных телефонах и планшетах, как это требуется в многоэлементных батареях, открывает возможности для гораздо более широкого признания производительности. Элементы с меньшей емкостью могут «проскользнуть» сквозь щели, даже если потребитель этого не заметит.

Подобно механическому устройству, которое быстрее изнашивается при интенсивном использовании, глубина разряда (DoD) определяет количество циклов зарядки аккумулятора. Чем меньше разряд (низкий DoD), тем дольше прослужит аккумулятор. Если возможно, избегайте полных разрядов и чаще заряжайте аккумулятор между использованиями. Частичный разряд литий-ионного аккумулятора — это нормально. Эффекта памяти нет, и аккумулятор не нуждается в периодических циклах полного разряда для продления срока службы. Исключением может быть периодическая калибровка индикатора уровня топлива на умном аккумуляторе или интеллектуальном устройстве.

В приведенных ниже таблицах показаны потери емкости, связанные с напряжением, для литий-ионных аккумуляторов на основе кобальта. Напряжения литий-железо-фосфатных и литий-титанатных аккумуляторов ниже и не относятся к приведенным опорным значениям напряжения.

Факторы влияния

В таблице 2 оценивается количество циклов разряда/заряда, которое литий-ионный аккумулятор может обеспечить при различных уровнях емкости аккумулятора (DoD), прежде чем его емкость упадет до 70 процентов. DoD предполагает полный заряд, а затем разряд до указанного в таблице уровня заряда (SoC).

Литий-ионный аккумулятор подвержен воздействию тепла, как и поддержание высокого напряжения заряда элемента. Оставление аккумулятора при температуре выше 30°C (86°F) считается повышенной температурой, а для большинства литий-ионных аккумуляторов напряжение выше 4,10 В/элемент считается высоким напряжением. Воздействие высокой температуры на аккумулятор и пребывание в состоянии полного заряда в течение длительного времени может быть более стрессовым, чем циклическая зарядка/разрядка. В таблице 3 показана потеря емкости как функция температуры и SoC.

Большинство литий-ионных аккумуляторов заряжаются до 4,20 В/элемент, и каждое снижение пикового напряжения заряда на 0,10 В/элемент, как говорят, удваивает срок службы. Например, литий-ионный элемент, заряженный до 4,20 В/элемент, обычно обеспечивает 300–500 циклов. Если заряжать только до 4,10 В/элемент, срок службы можно продлить до 600–1000 циклов, 4,0 В/элемент должен обеспечить 1200–2000, а 3,90 В/элемент должен обеспечить 2400–4000 циклов.

Батарейные мониторы

Отслеживай основные показатели аккумуляторов и будь в курсе состояния твоего АКБ

Батарейный монитор Victron BMV-700

Монитор подходит для AGM, GEL, а также литиевых батарей LiFePO4, и измеряет напряжение, ток, потреблённую ёмкость, время до разряда, а также может опционально отображать температуру батареи.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A

Это интеллектуальный шунт с функциями полноценного батарейного монитора, который подключается к вашему смартфону или GX-устройству через встроенный Bluetooth или VE.Direct порт.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A IP65

Улучшенная версия популярного SmartShunt, разработанная для использования во влажных, пыльных или морских условиях, с полной защитой корпуса по стандарту IP65.

Купить

Посмотреть больше

С отрицательной стороны, более низкое пиковое напряжение заряда уменьшает емкость, которую хранит аккумулятор. Как простое правило, каждые 70 мВ снижения напряжения заряда снижают общую емкость на 10 процентов. Применение пикового напряжения заряда во время следующего заряда восстановит полную емкость.

Что касается долговечности, оптимальное напряжение заряда составляет 3,92 В/элемент. Эксперты по аккумуляторам считают, что этот порог устраняет все напряжения, связанные с напряжением, снижение напряжения может не дать дополнительных преимуществ, но вызвать другие симптомы. В таблице 4 приведена емкость как функция уровней заряда. (Все значения являются приблизительными, энергетические элементы с более высокими порогами напряжения могут отличаться.)

Каждое падение напряжения на 0,10 В ниже 4,20 В/элемент удваивает цикл, но сохраняет меньшую емкость. Повышение напряжения выше 4,20 В/элемент сократит срок службы. Показатели отражают обычную зарядку литий-ионного аккумулятора до 4,20 В/элемент.

Рекомендация: Каждое падение напряжения заряда на 70 мВ снижает полезную емкость примерно на 10%.
Примечание: Частичная зарядка сводит на нет преимущество литий-ионного аккумулятора с точки зрения высокой удельной энергии.

* Подобные жизненные циклы применяются для аккумуляторов с различными уровнями напряжения при полном заряде.
** Рассчитано на новый аккумулятор со 100% емкостью при зарядке до полного напряжения.

Безопасность аккумуляторов

Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и цифровых камер заряжают литий-ионные аккумуляторы до 4,20 В/элемент. Это обеспечивает максимальную емкость, поскольку потребитель желает не меньше, чем оптимальное время работы. Промышленность, с другой стороны, больше обеспокоена долговечностью и может выбирать более низкие пороги напряжения. Спутники и электромобили являются такими примерами.

Из соображений безопасности многие литий-ионные аккумуляторы не могут превышать 4,20 В/элемент. (Некоторые NMC являются исключением). Хотя более высокое напряжение увеличивает емкость, превышение напряжения сокращает срок службы и ухудшает безопасность. На рисунке 5 показано количество циклов как функция напряжения заряда. При 4,35 В количество циклов обычного литий-ионного аккумулятора уменьшается вдвое.

Рисунок 5: Влияние на срок службы при повышенных напряжениях заряда
Более высокие напряжения заряда увеличивают емкость, но уменьшают срок службы и снижают безопасность.

Кроме выбора наилучших порогов напряжения для определенного применения, обычный литий-ионный аккумулятор не должен оставаться на высоком уровне напряжения 4,20 В/элемент в течение длительного времени. Зарядное устройство для литий-ионного аккумулятора отключает ток заряда, и напряжение аккумулятора возвращается к более естественному уровню. Это похоже на расслабление мышц после напряженной физической нагрузки.

На рисунке 6 показаны динамические стресс-тесты (DST), отображающие потерю емкости во время циклической зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора с различной полосой пропускания заряда и разряда. Наибольшая потеря емкости происходит при разрядке полностью заряженного литий-ионного аккумулятора до 25 процентов SoC (черный цвет), потери будут больше при полном разряде. Циклическая зарядка между 85 и 25 процентами (зеленый цвет) обеспечивает более длительный срок службы, чем зарядка до 100 процентов и разрядка до 50 процентов (темно-синий цвет). Наименьшая потеря емкости достигается при зарядке литий-ионного аккумулятора до 75 процентов и разрядке до 65 процентов. Однако это не использует аккумулятор полностью. Считается, что высокое напряжение и воздействие повышенной температуры разряжают аккумулятор быстрее, чем циклическая зарядка и разрядка при нормальных условиях.

Рисунок 6: Потеря емкости как функция полосы пропускания заряда и разряда*
Зарядка и разрядка литий-ионного аккумулятора лишь частично продлевает срок службы аккумулятора, но уменьшает его использование.

• Случай 1: SoC с 75–65% заряда предлагает самый длинный срок службы, но обеспечивает всего 90 000 единиц энергии (EU). Использует 10% заряда батареи.
• Случай 2: SoC с 75–25% емкостью имеет 3000 циклов (до 90% емкости) и обеспечивает 150 000 EU. Использует 50% заряда аккумулятора. (Аккумулятор электромобиля, новый.)
• Случай 3: SoC с зарядом 85–25% имеет 2000 циклов. Обеспечивает 120 000 EU. Использует 60% заряда батареи.
• Случай 4: 100–25% SoC: длительное время работы с использованием 75% батареи. Имеет короткий срок службы. (Мобильный телефон, дрон и т.д.)

* Существуют расхождения между Таблицей 2 и Рисунком 6 относительно количества циклов. Четких объяснений нет, кроме предположения о разнице в качестве аккумуляторов и методах испытаний. Разница между недорогими потребительскими и долговечными промышленными классами также может играть определенную роль. Сохранение емкости будет снижаться быстрее при повышенных температурах, чем при 20°C.

Только полный цикл обеспечивает заданную энергию аккумулятора. В современных энергетических элементах это около 250 Вт·ч/кг, но срок службы цикла будет ограничен. Поскольку все это линейно, средний диапазон, продлевающий срок службы, на 85-25 процентов снижает энергию до 60 процентов, что эквивалентно снижению удельной плотности энергии с 250 Вт·ч/кг до 150 Вт·ч/кг. Мобильные телефоны — это потребительские товары, которые используют полную энергию аккумулятора. Промышленные устройства, такие как электромобили, обычно ограничивают заряд до 85% и разряд до 25%, или 60 процентов энергетической полезности, чтобы продлить срок службы аккумулятора.

Увеличение глубины цикла также повышает внутреннее сопротивление литий-ионного элемента. На рисунке 7 показан резкий рост при глубине цикла 61 процент, измеренной методом сопротивления постоянному току.

Рисунок 7: Резкий рост внутреннего сопротивления с увеличением глубины цикла литий-ионного аккумулятора

Примечание: Метод постоянного тока дает другие показатели внутреннего сопротивления, чем метод переменного тока (зеленая рамка). Для наилучших результатов используйте метод постоянного тока для расчета нагрузки.

На рисунке 8 данные с рисунка 6 экстраполируют для расширения прогнозируемого срока службы литий-ионного аккумулятора с помощью программы экстраполяции, которая предполагает линейное уменьшение емкости аккумулятора с постепенным циклированием. Если бы это было правдой, то литий-ионный аккумулятор, циклически заряжаемый в пределах 75%–25% SoC (синий), потерял бы емкость до 74% после 14 000 циклов. Если бы этот аккумулятор зарядили до 85% с такой же глубиной разряда (зеленый), емкость снизилась бы до 64% после 14 000 циклов, а при 100% заряде с такой же глубиной разряда (черный) емкость снизилась бы до 48%. По неизвестным причинам реальный срок службы, как правило, ниже, чем в симулированном моделировании.

Рисунок 8: Прогнозное моделирование срока службы батареи с помощью экстраполяции

Литий-ионные аккумуляторы заряжаются до трех разных уровней SoC, и моделируется срок службы циклов. Ограничение диапазона зарядки продлевает срок службы аккумулятора, но уменьшает отдачу энергии. Это отражается в увеличении веса и начальной стоимости.

Производители аккумуляторов часто указывают срок службы аккумулятора с показателем DoD 80. Это практично, поскольку аккумуляторы должны сохранять определенный резерв перед зарядкой в условиях нормального использования. Количество циклов в DST (динамическом стресс-тесте) зависит от типа аккумулятора, времени зарядки, протокола зарядки и рабочей температуры. Лабораторные испытания часто дают цифры, которых невозможно достичь в полевых условиях.

Что может сделать пользователь?

Условия окружающей среды, а не только циклическая зарядка/разрядка, определяют долговечность литий-ионных аккумуляторов. Худшая ситуация — это хранение полностью заряженного аккумулятора при повышенных температурах. Аккумуляторные блоки не разряжаются внезапно, но время работы постепенно сокращается с уменьшением емкости.

Более низкое напряжение заряда продлевает срок службы аккумулятора, и электромобили и спутники пользуются этим. Подобные положения можно было бы предусмотреть и для потребительских устройств, но они редко предлагаются, об этом говорится в плановом старении.

Время работы аккумулятора ноутбука можно продлить, снизив напряжение заряда при подключении к сети переменного тока. Чтобы сделать эту функцию удобной для пользователя, устройство должно иметь режим «Длительный срок службы», который поддерживает напряжение заряда аккумулятора на уровне 4,05 В/элемент и обеспечивает уровень заряда около 80 процентов. За час до поездки пользователь запрашивает режим «Полная емкость», чтобы довести заряд до 4,20 В/элемент.

Возникает вопрос: «Стоит ли отключать ноутбук от сети питания, когда он не используется?» При нормальных обстоятельствах в этом нет необходимости, поскольку зарядка прекращается, когда литий-ионный аккумулятор полностью заряжен. Дополнительная зарядка применяется только тогда, когда напряжение аккумулятора падает до определенного уровня. Большинство пользователей не отключают питание от сети переменного тока, и эта практика является безопасной.

Современные ноутбуки работают холоднее, чем старые модели, и зарегистрировано меньше пожаров. Всегда обеспечивайте свободный поток воздуха при использовании электрических устройств с воздушным охлаждением на кровати или подушке. Холодный ноутбук продлевает срок службы батареи и защищает внутренние компоненты. Энергетические элементы Energy Cells, которые есть в большинстве потребительских товаров, следует заряжать током 1C или меньше. Избегайте так называемых сверхбыстрых зарядных устройств, которые обещают полностью зарядить литий-ионный аккумулятор менее чем за час.