Як продовжити термін служби літієвих акумуляторів

Фокус на літії

Дослідження акумуляторів настільки зосереджені на хімічних складових літію, що можна уявити, що майбутнє акумуляторів виключно за літієм. Є вагомі підстави для оптимізму, оскільки літій-іонні акумулятори багато в чому перевершують інші хімічні складові. Застосування зростає і вторгається на ринки, які раніше міцно утримувалися свинцево-кислотними акумуляторами, такі як резервний режим роботи та вирівнювання навантаження. Багато супутників також живляться від літій-іонних акумуляторів.

Розвиток технології

Літій-іонний акумулятор ще не повністю розвинений і продовжує вдосконалюватися. Помітних досягнень було досягнуто в довговічності та безпеці, тоді як ємність поступово зростає. Сьогодні літій-іонний акумулятор відповідає очікуванням більшості споживчих пристроїв, але його застосування в електромобілях потребує подальшого розвитку, перш ніж це джерело живлення стане загальноприйнятою нормою.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Догляд за акумуляторами

Як доглядач за акумулятором, ви маєте вибір щодо того, як продовжити термін служби. Кожна система має унікальні потреби щодо швидкості заряджання, глибини розряду, навантаження та впливу температури. Важливо розуміти, що викликає втрату ємності, як впливає внутрішній опір, що робить підвищений саморозряд і наскільки низько можна розрядити акумулятор. Вас також можуть зацікавити основи тестування акумуляторів.

Причини старіння

Літій-іонний акумулятор працює на основі руху іонів між позитивним і негативним електродами. Теоретично такий механізм повинен працювати вічно, але циклічне розряджання/заряджання, підвищена температура та старіння з часом знижують його продуктивність. Виробники застосовують консервативний підхід і вказують термін служби літій-іонного акумулятора в більшості споживчих товарів на рівні від 300 до 500 циклів розряду/заряду.

Термін служби та ємність

У 2020 році невеликі акумулятори забезпечували близько 300 циклів, сучасні смартфони — понад 800, а найбільший прогрес спостерігається в акумуляторах для електромобілів, де йдеться про «мільйон миль» і близько 5000 циклів. Оцінка за циклами не завжди точна: глибина розряду, інтенсивність використання та температура мають вирішальне значення.

Оцінка терміну служби батареї за підрахунком циклів не є остаточною, оскільки глибина розряду може відрізнятися, і немає чітко визначених стандартів того, що вважається циклом. Замість підрахунку циклів деякі виробники пристроїв пропонують замінювати батарею за датою розряду, але цей метод не враховує використання. Акумулятор може вийти з ладу протягом відведеного часу через інтенсивне використання або несприятливі температурні умови, однак більшість акумуляторів служать значно довше, ніж зазначено на даті розряду.

Втрата ємності

Продуктивність акумулятора вимірюється ємністю, що є провідним показником справності. Внутрішній опір і саморозряд також відіграють певну роль, але вони менш суттєві для прогнозування кінця терміну служби акумулятора сучасних літій-іонних акумуляторів.

На рисунку 1 показано падіння ємності 11 літій-полімерних акумуляторів, які пройшли цикли розрядки/зарядки в лабораторії Cadex. Пакети-елементи ємністю 1500 мАг для мобільних телефонів спочатку заряджали струмом 1500 мА (1 Кл) до 4,20 В/елемент, а потім насичували до 0,05 Кл (75 мА) в рамках повного насичення заряду. Потім акумулятори розряджали струмом 1500 мА до 3,0 В/елемент, і цикл повторювали. Очікувана втрата ємності літій-іонних акумуляторів була рівномірною протягом 250 циклів розрядки/зарядки, і акумулятори працювали належним чином.

Рисунок 1: Падіння потужності як частина циклічного руху 

Одинадцять нових літій-іонних акумуляторів було протестовано на аналізаторі акумуляторів Cadex C7400. Усі акумулятори починали з ємності 88–94% і знижувалися до 73–84% після 250 повних циклів розряду. Пакети-акумулятори ємністю 1500 мАг використовуються в мобільних телефонах.

Хоча акумулятор повинен забезпечувати 100-відсоткову ємність протягом першого року служби, часто трапляються випадки, коли ємність нижча за зазначену, і термін придатності може сприяти цій втраті. Крім того, виробники схильні переоцінювати свої акумулятори, знаючи, що дуже мало користувачів будуть проводити вибіркові перевірки та скаржитися, якщо заряд низький. Відсутність необхідності використовувати окремі елементи в мобільних телефонах і планшетах, як це вимагається в багатоелементних батареях, відкриває можливості для набагато ширшого визнання продуктивності. Елементи з меншою ємністю можуть «прослизнути» крізь щілини, навіть якщо споживач цього не помітить.

Подібно до механічного пристрою, який швидше зношується при інтенсивному використанні, глибина розряду (DoD) визначає кількість циклів заряджання акумулятора. Чим менший розряд (низький DoD), тим довше прослужить акумулятор. Якщо можливо, уникайте повних розрядів і частіше заряджайте акумулятор між використаннями. Частковий розряд літій-іонного акумулятора – це нормально. Пам’ять відсутня, і акумулятор не потребує періодичних циклів повного розряду для продовження терміну служби. Винятком може бути періодичне калібрування індикатора рівня палива на розумному акумуляторі або інтелектуальному пристрої.

У наведених нижче таблицях показано втрати ємності, пов'язані з напругою, для літій-іонних акумуляторів на основі кобальту. Напруги фосфату літію-заліза та титанату літію нижчі та не стосуються наведених опорних значень напруги.

Фактори впливу

У таблиці 2 оцінюється кількість циклів розряду/заряду, яку літій-іонний акумулятор може забезпечити за різних рівнів ємності акумулятора (DoD), перш ніж його ємність впаде до 70 відсотків. DoD передбачає повний заряд, а потім розряд до зазначеного в таблиці рівня заряду (SoC).

Літій-іонний акумулятор піддається впливу тепла, як і підтримка високої напруги заряду елемента. Залишення акумулятора при температурі вище 30°C (86°F) вважається підвищеною температурою, а для більшості літій-іонних акумуляторів напруга вище 4,10 В/елемент вважається високою напругою. Вплив високої температури на акумулятор та перебування в стані повного заряду протягом тривалого часу може бути більш стресовим, ніж циклічна зарядка/розрядка. У таблиці 3 показано втрату ємності як функцію температури та SoC.

Більшість літій-іонних акумуляторів заряджаються до 4,20 В/елемент, і кожне зниження пікової напруги заряду на 0,10 В/елемент, як кажуть, подвоює термін служби. Наприклад, літій-іонний елемент, заряджений до 4,20 В/елемент, зазвичай забезпечує 300–500 циклів. Якщо заряджати лише до 4,10 В/елемент, термін служби можна подовжити до 600–1000 циклів, 4,0 В/елемент повинен забезпечити 1200–2000, а 3,90 В/елемент повинен забезпечити 2400–4000 циклів.

Батарейні монітори

Відстежуй основні показники акумуляторів та будь у курсі стану твого акб

Батарейний монітор Victron BMV-700

Монітор підходить для AGM, GEL, а також літієвих батарей LiFePO4, і вимірює напругу, струм, спожиту ємність, час до розрядження, а також може опціонально відображати температуру батареї.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A

Це інтелектуальний шунт з функціями повноцінного батарейного монітору, який підключається до вашого смартфона або GX-пристрою через вбудований Bluetooth або VE.Direct порт.

Купити

Батарейний монітор Victron SmartShunt 500A IP65

Вдосконалена версія популярного SmartShunt, розроблена для використання у вологих, пилових або морських умовах, з повним захистом корпусу за стандартом IP65

Купити

Подивитися більше

З негативного боку, нижча пікова напруга заряду зменшує ємність, яку зберігає акумулятор. Як просте правило, кожні 70 мВ зниження напруги заряду знижує загальну ємність на 10 відсотків. Застосування пікової напруги заряду під час наступного заряду відновить повну ємність.

Що стосується довговічності, оптимальна напруга заряду становить 3,92 В/елемент. Експерти з акумуляторів вважають, що цей поріг усуває всі напруження, пов'язані з напругою, зниження напруги може не дати додаткових переваг, але викликати інші симптоми. У таблиці 4 наведено ємність як функцію рівнів заряду. (Усі значення є приблизними, енергетичні елементи з вищими порогами напруги можуть відрізнятися.)

Кожне падіння напруги на 0,10 В нижче 4,20 В/елемент подвоює цикл, але зберігає меншу ємність. Підвищення напруги вище 4,20 В/елемент скоротить термін служби. Показники відображають звичайну зарядку літій-іонного акумулятора до 4,20 В/елемент.

Рекомендація: Кожне падіння напруги заряду на 70 мВ знижує корисну ємність приблизно на 10%.
Примітка: Часткове заряджання зводить нанівець перевагу літій-іонного акумулятора з точки зору високої питомої енергії.

* Подібні життєві цикли застосовуються для акумуляторів з різними рівнями напруги при повному заряді.
** Розраховано на новий акумулятор зі 100% ємністю при зарядці до повної напруги.

Безпека акумуляторів

Більшість зарядних пристроїв для мобільних телефонів, ноутбуків, планшетів та цифрових камер заряджають літій-іонні акумулятори до 4,20 В/елемент. Це забезпечує максимальну ємність, оскільки споживач бажає не менше, ніж оптимальний час роботи. Промисловість, з іншого боку, більше стурбована довговічністю та може обирати нижчі пороги напруги. Супутники та електромобілі є такими прикладами.

З міркувань безпеки багато літій-іонних акумуляторів не можуть перевищувати 4,20 В/елемент. (Деякі NMC є винятком). Хоча вища напруга збільшує ємність, перевищення напруги скорочує термін служби та погіршує безпеку. На рисунку 5 показано кількість циклів як функцію напруги заряду. При 4,35 В кількість циклів звичайного літій-іонного акумулятора зменшується вдвічі.

Рисунок 5: Вплив на термін служби при підвищених напругах заряду 
Вищі напруги заряду збільшують ємність, але зменшують термін служби та знижують безпеку.

Окрім вибору найкращих порогів напруги для певного застосування, звичайний літій-іонний акумулятор не повинен залишатися на високому рівні напруги 4,20 В/елемент протягом тривалого часу. Зарядний пристрій для літій-іонного акумулятора вимикає струм заряду, і напруга акумулятора повертається до більш природного рівня. Це схоже на розслаблення м'язів після напруженого фізичного навантаження.

На рисунку 6 показано динамічні стрес-тести (DST), що відображають втрату ємності під час циклічного заряджання та розряджання літій-іонного акумулятора з різною смугою пропускання заряду та розряду. Найбільша втрата ємності відбувається під час розряджання повністю зарядженого літій-іонного акумулятора до 25 відсотків SoC (чорний колір), втрати будуть більшими при повному розряді. Циклічне заряджання між 85 та 25 відсотками (зелений колір) забезпечує довший термін служби, ніж заряджання до 100 відсотків та розряджання до 50 відсотків (темно-синій колір). Найменша втрата ємності досягається при заряджання літій-іонного акумулятора до 75 відсотків та розряджання до 65 відсотків. Однак це не використовує акумулятор повністю. Вважається, що висока напруга та вплив підвищеної температури розряджають акумулятор швидше, ніж циклічне заряджання та розряджання за нормальних умов.

Рисунок 6: Втрата ємності як функція смуги пропускання заряду та розряду* 
Заряджання та розряджання літій-іонного акумулятора лише частково подовжує термін служби акумулятора, але зменшує його використання.

• Випадок 1: SoC з 75–65% заряду пропонує найдовший термін служби, але забезпечує лише 90 000 одиниць енергії (EU). Використовує 10% заряду батареї.
• Випадок 2: SoC з 75–25% ємністю має 3000 циклів (до 90% ємності) та забезпечує 150 000 EU. Використовує 50% заряду акумулятора. (Акумулятор електромобіля, новий.)
• Випадок 3: SoC з зарядом 85–25% має 2000 циклів. Забезпечує 120 000 EU. Використовує 60% заряду батареї.
• Випадок 4: 100–25% SoC: тривалий час роботи з використанням 75% батареї. Має короткий термін служби. (Мобільний телефон, дрон тощо)

* Існують розбіжності між Таблицею 2 та Рисунок 6 щодо кількості циклів. Чітких пояснень немає, окрім припущення про різницю в якості акумуляторів та методах випробувань. Різниця між недорогими споживчими та довговічними промисловими класами також може відігравати певну роль. Збереження ємності знижуватиметься швидше за підвищених температур, ніж за 20ºC.

Тільки повний цикл забезпечує задану енергію акумулятора. У сучасних енергетичних елементах це близько 250 Вт·год/кг, але термін служби циклу буде обмежений. Оскільки все це лінійно, середній діапазон, що подовжує термін служби, на 85-25 відсотків знижує енергію до 60 відсотків, що еквівалентно зниженню питомої щільності енергії з 250 Вт·год/кг до 150 Вт·год/кг. Мобільні телефони – це споживчі товари, які використовують повну енергію акумулятора. Промислові пристрої, такі як електромобілі, зазвичай обмежують заряд до 85% і розряд до 25%, або 60 відсотків енергетичної корисності, щоб продовжити термін служби акумулятора.

Збільшення глибини циклу також підвищує внутрішній опір літій-іонного елемента. На рисунку 7 показано різке зростання при глибині циклу 61 відсоток, виміряній методом опору постійному струму.

Рисунок 7: Різке зростання внутрішнього опору зі збільшенням глибини циклу літій-іонного акумулятора 

Примітка: Метод постійного струму дає інші показники внутрішнього опору, ніж метод змінного струму (зелена рамка). Для найкращих результатів використовуйте метод постійного струму для розрахунку навантаження.

На рисунку 8 дані з рисунка 6 екстраполюють для розширення прогнозованого терміну служби літій-іонного акумулятора за допомогою програми екстраполяції, яка припускає лінійне зменшення ємності акумулятора з поступовим циклуванням. Якби це було правдою, то літій-іонний акумулятор, що циклічно заряджається в межах 75%–25% SoC (синій), втратив би ємність до 74% після 14 000 циклів. Якби цей акумулятор зарядили до 85% з такою ж глибиною розряду (зелений), ємність знизилася б до 64% ​​після 14 000 циклів, а при 100% заряді з такою ж глибиною розряду (чорний) ємність знизилася б до 48%. З невідомих причин реальний термін служби, як правило, нижчий, ніж у симульованому моделюванні

Рисунок 8: Прогнозне моделювання терміну служби батареї за допомогою екстраполяції 

Літій-іонні акумулятори заряджаються до трьох різних рівнів SoC, і моделюється термін служби циклів. Обмеження діапазону зарядки подовжує термін служби акумулятора, але зменшує віддачу енергії. Це відображається у збільшенні ваги та початковій вартості.

Виробники акумуляторів часто вказують термін служби акумулятора з показником DoD 80. Це практично, оскільки акумулятори повинні зберігати певний резерв перед зарядкою за умов нормального використання. Кількість циклів у DST (динамічному стрес-тесті) залежить від типу акумулятора, часу зарядки, протоколу заряджання та робочої температури. Лабораторні випробування часто дають цифри, яких неможливо досягти в польових умовах.

Що може зробити користувач?

Умови навколишнього середовища, а не лише циклічне заряджання/розряджання, визначають довговічність літій-іонних акумуляторів. Найгірша ситуація — це зберігання повністю зарядженого акумулятора за підвищених температур. Акумуляторні блоки не розряджаються раптово, але час роботи поступово скорочується зі зменшенням ємності.

Нижча напруга заряду подовжує термін служби акумулятора, і електромобілі та супутники користуються цим. Подібні положення можна було б передбачити й для споживчих пристроїв, але вони рідко пропонуються, про це йдеться у плановому старінні.

Час роботи акумулятора ноутбука можна продовжити, знизивши напругу заряду під час підключення до мережі змінного струму. Щоб зробити цю функцію зручною для користувача, пристрій повинен мати режим «Довгий термін служби», який підтримує напругу заряду акумулятора на рівні 4,05 В/елемент і забезпечує рівень заряду близько 80 відсотків. За годину до подорожі користувач запитує режим «Повна ємність», щоб довести заряд до 4,20 В/елемент.

Виникає питання: «Чи варто відключати ноутбук від мережі живлення, коли він не використовується?» За нормальних обставин у цьому немає потреби, оскільки заряджання припиняється, коли літій-іонний акумулятор повністю заряджений. Додаткове заряджання застосовується лише тоді, коли напруга акумулятора падає до певного рівня. Більшість користувачів не відключають живлення від мережі змінного струму, і ця практика є безпечною.

Сучасні ноутбуки працюють холодніше, ніж старіші моделі, і зареєстровано менше пожеж. Завжди забезпечуйте вільний потік повітря під час використання електричних пристроїв з повітряним охолодженням на ліжку або подушці. Холодний ноутбук продовжує термін служби батареї та захищає внутрішні компоненти. Енергетичні елементи Energy Cells, які є в більшості споживчих товарів, слід заряджати струмом 1C або менше. Уникайте так званих надшвидких зарядних пристроїв , які обіцяють повністю зарядити літій-іонний акумулятор менш ніж за годину.