Как продлить срок службы литий-ионного аккумулятора?

Литий-ионные батареи работают за счет миграции ионов между положительным и отрицательным электродами. Теоретически литий-ионные аккумуляторы могут постоянно работать под этим механизмом. Однако с увеличением времени характеристики батареи ухудшаются из-за повышения температуры и старения батареи из-за цикла зарядки и разрядки. Производители придерживаются консервативных оценок, согласно которым большинство коммерческих литий-ионных батарей имеют срок службы от 300 до 500 циклов.

Однако оценивать срок службы батареи по количеству циклов непрактично, поскольку во время разряда могут происходить глубокие разряды, а четкого стандарта, характеризующего понятие количества циклов, не существует. Помимо подсчета циклов, некоторые производители устройств рекомендуют использовать штамп с датой, чтобы указать, когда заменять батарею, но этот метод игнорирует условия окружающей среды во время использования и также является ненадежным. Батарея может быть разряжена в течение срока службы продукта из-за перегрузки или температурных условий, но большинство аккумуляторных блоков имеют срок службы, превышающий указанное время.

Производительность аккумулятора характеризуется емкостью аккумулятора, которая также является важным показателем безопасности аккумулятора. Внутреннее сопротивление батареи и саморазряд могут повлиять на емкость батареи, но этот эффект незначителен для определения окончательного срока службы новой литий-ионной батареи.

На рисунке 1 показано падение емкости 11 литий-полимерных батарей в лабораторных циклических испытаниях Cadex. В этом мобильном телефоне используется аккумуляторная батарея емкостью 1500 мАч, которая сначала заряжается до 4,2 В при 1 ° C, а затем полностью заряжается при 0,05 ° C. Впоследствии батарея была разряжена до 3,0 В со скоростью 1 ° C, и цикл был повторен. Ожидаемое снижение емкости литий-ионной батареи за цикл, превышающий 250 циклов, согласуется с измеренным снижением емкости.

Рисунок 1: после цикла уменьшения емкости аккумулятора

Циклические испытания 11 новых литий-ионных аккумуляторов были выполнены с помощью оборудования для анализа аккумуляторов Cadex C7400. Емкость всех аккумуляторных блоков при первом разряде составляла 88-94% от начальной, а после 250 циклов она снижалась до 73-84%. И эти аккумуляторные блоки емкостью 1500 мАч используются в мобильных телефонах. (Данные предоставлены Cadex)

Хотя батарея должна высвободить 100% своей емкости в течение первого года работы, она обычно ниже заданной емкости, и неиспользованная батарея приведет к снижению емкости. А производители, как правило, чрезмерно калибруют емкость своих аккумуляторов, потому что знают, что очень немногие потребители будут жаловаться. Кроме того, большинству мобильных телефонов или планшетов необходимо использовать только одну батарею, вместо того, чтобы требовать нескольких батарейных блоков, что также обеспечивает более широкий допустимый диапазон производительности батареи, и поэтому некоторые из более бедных батарей игнорируются.

Как и в случае с механическим оборудованием, используемым для перегрузки, глубокая разрядка также может привести к сокращению количества циклов батареи. Следовательно, сокращение времени разряда выгодно для продления срока службы батареи. Кроме того, мы должны по возможности избегать полной разрядки или зарядки аккумулятора. Неполный разряд полезен для литий-ионных аккумуляторов. Литий-ионные батареи не обладают эффектом памяти и не требуют периодических циклов полной разрядки для продления срока службы батареи. Однако есть исключения, такие как датчики уровня топлива или интеллектуальные устройства, которые необходимо регулярно калибровать.

В таблице 2 сравниваются циклы, необходимые для литий-ионных аккумуляторов для зарядки и разрядки, до 70% уменьшения емкости. Другие переменные, такие как напряжение зарядки, температура и ток нагрузки, являются настройками по умолчанию.

Тепло или высокое напряжение зарядки также могут создать большую нагрузку на литий-ионный аккумулятор, 30 ℃ (86 ° F) для большей части литий-ионных аккумуляторов имеет более высокую температуру, более 4,10 В / элемент высокого напряжения. Полностью заряженный аккумулятор долгое время подвергается воздействию высоких температур, чем циклы литий-ионного аккумулятора повышают давление. В таблице 3 представлены потери емкости в зависимости от температуры.

Большая часть литий-ионных аккумуляторов перезаряжается до 4,20 В, при зарядке с напряжением отсечки 0,1 В цикл срока службы батареи будет удвоен. Литий-ионные аккумуляторы, например, на 4,2 В, обычно можно замкнуть 300-500 раз; Если напряжение отсечки заряда до 4,10 В, срок службы может быть увеличен до 600-1000 - цикла; При установке на 4,00 В система зарядки может достигать 1200-2000 - цикла; Для 3,90 В может достигать 2400-4000 - цикл.

Однако низкое напряжение зарядки имеет тенденцию к уменьшению емкости аккумулятора. Как правило, напряжение отключения заряда на каждые 70 мВ уменьшится на 10%, общая емкость уменьшит аккумулятор и поднимется до напряжения отключения, получит 100% емкости.

Оптимальное напряжение зарядки литий-ионной батареи для продолжительности цикла составляет 3,92 В. Эксперты по аккумуляторным батареям считают, что этот порог устраняет все неблагоприятные эффекты, связанные с напряжением, а ниже этого значения он может иметь другие неблагоприятные последствия для аккумулятора. В таблице 4 приведены условия емкости аккумулятора при различных уровнях заряда, все значения являются приблизительными.

В мобильных телефонах, ноутбуках, планшетах и цифровых камерах используется зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов. Напряжение зарядки установлено на уровне 4,2 В, это также обеспечит максимальную емкость, в конце концов, это лучший выбор для потребителей в течение долгого времени. С другой стороны, для фабрики, со своей стороны, приоритетом является время автономной работы, и поэтому они склонны выбирать низкий порог напряжения. Например, у спутников и электромобилей время автономной работы выше важности емкости.

По соображениям безопасности напряжение зарядки многих литий-ионных аккумуляторов не может превышать 4,2 В (за исключением трехкомпонентных аккумуляторов с высокой плотностью энергии, которые имеют зарядное напряжение 4,3 В). Хотя более высокое напряжение значительно увеличивает емкость батареи, высокое напряжение сокращает срок службы и снижает безопасность. На рисунке 5 показана взаимосвязь между количеством циклов и зарядным напряжением, где количество циклов уменьшается вдвое при 4,35 В.

На рисунке 5 показана зависимость между количеством циклов и зарядным напряжением.

Увеличение зарядного напряжения увеличит емкость батареи, но также снизит срок службы и безопасность батареи [из Choi et al. (2002)]

В дополнение к выбору оптимального порога напряжения для заданных условий, литий-ионные батареи обычно не должны работать при более высоких пределах напряжения, чтобы продлить срок службы. Точно так же, как мышцы должны расслабиться после напряженных упражнений, после полной зарядки аккумулятора аккумулятор необходимо извлечь, чтобы восстановить напряжение до естественного уровня. Хотя работающее зарядное устройство автоматически прекратит зарядку, когда аккумулятор полностью заряжен, некоторые зарядные устройства будут продолжать заряжаться, когда напряжение завершения упадет до заданного значения.

Страница содержит содержимое машинного перевода.