Πώς να παρατείνει τις λίθιο-βασισμένες στο μπαταρίες

Ανακαλύψτε τι αναγκάζει το λι-ιόν για να γεράσει και τι ο χρήστης μπαταριών μπορεί να κάνει για να παρατείνει τη ζωή του.

Η έρευνα μπαταριών εστιάζει στις χημείες λίθιου τόσο πολύ ότι κάποια θα μπορούσε να φανταστεί ότι το μέλλον μπαταριών βρίσκεται απλώς στο λίθιο. Υπάρχουν καλοί λόγοι να είναι αισιόδοξοι δεδομένου ότι το λίθιο-ιόν είναι, από πολλές απόψεις, ανώτερο από άλλες χημείες. Οι εφαρμογές αυξάνονται και καταπατούν στις αγορές που προηγουμένως στερεά το οξύ μολύβδου, όπως η εφεδρεία και η ισοπέδωση φορτίων. Πολλοί δορυφόροι τροφοδοτούνται επίσης από Li-ion.

Το λίθιο-ιόν ακόμα πλήρως δεν έχει ωριμάσει και βελτιώνεται ακόμα. Οι ξεχωριστές πρόοδοι έχουν γίνει στη μακροζωία και την ασφάλεια ενώ η ικανότητα αυξάνεται επαυξητικά. Σήμερα, το λι-ιόν ικανοποιεί τις προσδοκίες των περισσότερων καταναλωτικών συσκευών αλλά οι εφαρμογές για τη EV χρειάζονται την περαιτέρω ανάπτυξη προτού αυτή η πηγή ισχύος να γίνει ο αποδεκτός κανόνας.

Αυτό που αναγκάζει το λίθιο-ιόν για να γεράσει;

Η μπαταρία λίθιο-ιόντων λειτουργεί στην ιονική μετακίνηση μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων. Θεωρητικά ένας τέτοιος μηχανισμός πρέπει να λειτουργήσει για πάντα, αλλά η ανακύκλωση, η ανυψωμένη θερμοκρασία και η γήρανση μειώνουν την απόδοση με τον καιρό. Οι κατασκευαστές υιοθετούν μια συντηρητική μέθοδο και διευκρινίζουν τη ζωή του λι-ιόντος στα περισσότερα καταναλωτικά προϊόντα όπως όντας μεταξύ 300 και 500 κύκλων απαλλαγής/δαπανών.

Η αξιολόγηση της διάρκειας ζωής μπαταρίας στον υπολογισμό των κύκλων δεν είναι αποφασιστική επειδή μια απαλλαγή μπορεί να ποικίλει σε βάθος και δεν υπάρχουν κανένα σαφώς καθορισμένο πρότυπο αυτό που αποτελεί έναν κύκλο. Αντί της αρίθμησης κύκλων, μερικοί κατασκευαστές συσκευών προτείνουν την αντικατάσταση μπαταριών σε ένα γραμματόσημο ημερομηνίας, αλλά αυτή η μέθοδος δεν παίρνει τη χρήση υπόψη. Μια μπαταρία μπορεί να αποτύχει μέσα στο διανεμημένο χρόνο λόγω της βαριάς χρήσης ή τους δυσμενείς όρους θερμοκρασίας εντούτοις, τα περισσότερα πακέτα διαρκούν αρκετά περισσότερο από τι το γραμματόσημο δείχνει.

Η απόδοση μιας μπαταρίας μετριέται στην ικανότητα, ένας κύριος δείκτης υγείας. Η εσωτερική αντίσταση και self-discharge επίσης διαδραματίζει τους ρόλους, αλλά αυτοί είναι λιγότερο σημαντικοί στην πρόβλεψη του τέλους της διάρκειας ζωής μπαταρίας με το σύγχρονο λι-ιόν.

Το σχήμα 1 επεξηγεί την πτώση ικανότητας 11 λι-πολυμερών μπαταριών που έχουν ανακυκλωθεί σε ένα εργαστήριο Cadex. Τα κύτταρα σακουλών 1,500mAh για τα κινητά τηλέφωνα χρεώθηκαν αρχικά σε ένα ρεύμα 1,500mA (1C) σε 4.20V/cell και επέτρεψαν έπειτα να διαποτίσουν σε 0.05C (75mA) ως τμήμα του πλήρους κορεσμού δαπανών. Οι μπαταρίες απαλλάχθηκαν έπειτα σε 1,500mA σε 3.0V/cell, και ο κύκλος επαναλήφθηκε. Η αναμενόμενη απώλεια ικανότητας λι-ιονικών μπαταριών ήταν ομοιόμορφη πέρα από τους παραδοθε'ντες 250 κύκλους και τις μπαταρίες διενεργηθε'ντες όπως αναμενόταν.

Το νέο λι-ιόν ένδεκα εξετάστηκε σε μια συσκευή ανάλυσης μπαταριών Cadex C7400. Όλα τα πακέτα άρχισαν σε μια ικανότητα 88-94% και μειώθηκαν σε 73-84% μετά από 250 πλήρεις κύκλους απαλλαγής. Τα πακέτα σακουλών 1500mAh χρησιμοποιούνται στα κινητά τηλέφωνα.

Οι ακόλουθοι πίνακες δείχνουν σχετικές με τις την πίεση απώλειες ικανότητας στο κοβάλτιο-βασισμένο λίθιο-ιόν. Οι τάσεις του φωσφορικού άλατος σιδήρου λίθιου και titanate λίθιου είναι χαμηλότερες και δεν ισχύουν για τις αναφορές τάσης που δίνονται.
Αν και μια μπαταρία πρέπει να παραδώσει 100 τοις εκατό ικανότητας κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους υπηρεσίας, είναι κοινό να δει χαμηλότερος από τις διευκρινισμένες ικανότητες, και η ζωή του προϊόντος στο ράφι μπορεί να συμβάλει σε αυτήν την απώλεια. Επιπλέον, οι κατασκευαστές τείνουν να υπερτιμήσουν τις μπαταρίες τους, ξέροντας ότι πολύ λίγοι χρήστες θα κάνουν τους απροσδόκητους ελέγχους και θα παραπονεθούν εάν χαμηλοί. Όχι πρέπει να ταιριάξει με τα μονά κύτταρα στα κινητές τηλέφωνα και τις ταμπλέτες, όπως απαιτείται στα πακέτα πολυ-κυττάρων, ανοίγει τις πόρτες υδροφρακτών για μια πολύ ευρύτερη αποδοχή απόδοσης. Τα κύτταρα με τις χαμηλότερες ικανότητες μπορούν να γλιστρήσουν μέσω των ρωγμών χωρίς την καταναλωτική γνώση.

Παρόμοιο με μια μηχανική συσκευή που φθείρει γρηγορότερα με τη βαριά χρήση, το βάθος της απαλλαγής το (DoD) καθορίζει την αρίθμηση κύκλων της μπαταρίας. Όσο μικρότερη η απαλλαγή (χαμηλό DoD), τόσο περισσότεη η μπαταρία θα διαρκέσει. Εάν καθόλου πιθανός, αποφύγετε τις πλήρεις απαλλαγές και φορτίστε την μπαταρία συχνότερα μεταξύ των χρήσεων. Η μερική απαλλαγή στο λι-ιόν είναι λεπτή. Δεν υπάρχει καμία μνήμη και η μπαταρία δεν χρειάζεται τους περιοδικούς πλήρεις κύκλους απαλλαγής για να παρατείνει τη ζωή. Η εξαίρεση μπορεί να είναι μια περιοδική βαθμολόγηση του μετρητή καυσίμων σε μια έξυπνη μπαταρία ή μια ευφυή συσκευή.

Ο πίνακας 2 υπολογίζει ότι ο αριθμός λι-ιόντος κύκλων απαλλαγής/δαπανών μπορεί να παραδώσει σε διάφορα DoD επίπεδα πριν από τις πτώσεις ικανότητας μπαταριών σε 70 τοις εκατό. DoD αποτελεί μια πλήρη δαπάνη που ακολουθείται από μια απαλλαγή στο υποδεδειγμένο επίπεδο του (SoC) κράτος--δαπανών στον πίνακα.

Το λίθιο-ιόν πάσχει από την πίεση όταν εκτίθεται στη θερμότητα, κάνει έτσι την κράτηση ενός κυττάρου σε μια υψηλή τάση δαπανών. Μια κατοικία μπαταριών επάνω από 30°C (86°F) θεωρείται ανυψωμένη θερμοκρασία και για το περισσότερο λι-ιόν μια τάση επάνω από 4.10V/cell κρίνεται ως υψηλή τάση. Η έκθεση της μπαταρίας σε υψηλής θερμοκρασίας και η κατοίκιση σε μια πλήρη κράτος--δαπάνη για έναν παραταθε'ντα χρόνο μπορούν να είναι πιό αγχωτικές από ανακυκλώνοντας. Ο πίνακας 3 καταδεικνύει την απώλεια ικανότητας ως λειτουργία της θερμοκρασίας και SOC.

Τα περισσότερα λι-ιόντα χρεώνουν σε 4.20V/cell, και κάθε μείωση της μέγιστης τάσης δαπανών 0.10V/cell λέγεται για να διπλασιάσει τη ζωή κύκλων. Παραδείγματος χάριν, ένα λίθιο-ιονικό κύτταρο που χρεώνεται σε 4.20V/cell παραδίδει χαρακτηριστικά 300-500 κύκλους. Εάν χρεώνεται μόνο σε 4.10V/cell, η ζωή μπορεί να παραταθεί σε 600-1,000 κύκλους 4.0V/cell πρέπει να παραδώσει 1,200-2,000 και 3.90V/cell πρέπει να παρέχει 2,400-4,000 κύκλους.

Στην αρνητική πλευρά, μια χαμηλότερη μέγιστη τάση δαπανών μειώνει την ικανότητα τα καταστήματα μπαταριών. Σαν απλή οδηγία, κάθε υπεύθυνη τάση μείωσης 70mV χαμηλώνει τη γενική ικανότητα κατά 10 τοις εκατό. Η εφαρμογή της μέγιστης τάσης δαπανών σε μια επόμενη δαπάνη θα αποκαταστήσει τη πλήρη απόδοση.

Από την άποψη της μακροζωίας, η βέλτιστη τάση δαπανών είναι 3.92V/cell. Οι εμπειρογνώμονες μπαταριών θεωρούν ότι αυτό το κατώτατο όριο αποβάλλει το όλο τάση-σχετικό με τον τονίζει να πάει μπορεί χαμηλότερα να μην αποκομίσει τα περαιτέρω οφέλη αλλά προκαλεί άλλα συμπτώματα. Ο πίνακας 4 συνοψίζει την ικανότητα ως λειτουργία των επιπέδων δαπανών. (Όλες οι τιμές υπολογίζονται Τα ενεργειακά κύτταρα με τους αισθητηριακούς ουδούς υψηλότερης τάσης μπορούν να παρεκκλίνουν.)

Πείραμα: Το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers, Σουηδία, αναφέρει ότι η χρησιμοποίηση ενός μειωμένου επιπέδου δαπανών του SOC 50% αυξάνει την προσδοκία διάρκειας ζωής της λι-ιονικής μπαταρίας οχημάτων κατά 44-130%.

Οι περισσότεροι φορτιστές για τα κινητές τηλέφωνα, τα lap-top, τις ταμπλέτες και τις ψηφιακές κάμερα χρεώνουν το λι-ιόν σε 4.20V/cell. Αυτό επιτρέπει τη μέγιστη ικανότητα, επειδή ο καταναλωτής δεν θέλει τίποτα λιγότερο από το βέλτιστο χρόνο εκτέλεσης. Η βιομηχανία, αφ' ετέρου, ανησυχεί για τη μακροζωία και μπορεί να επιλέξει τα κατώτατα όρια χαμηλότερης τάσης. Οι δορυφόροι και τα ηλεκτρικά οχήματα είναι τέτοια παραδείγματα.

Για λόγους ασφάλειας, πολλά λίθιο-ιόντα δεν μπορούν να υπερβούν 4.20V/cell. (Κάποιο NMC είναι η εξαίρεση.) Ενώ μια υψηλότερη τάση ωθεί την ικανότητα, η υπέρβαση της τάσης κονταίνει τη ζωή υπηρεσιών και συμβιβάζει την ασφάλεια. Το σχήμα 5 καταδεικνύει την αρίθμηση κύκλων ως λειτουργία της τάσης δαπανών. Σε 4.35V, η αρίθμηση κύκλων ενός κανονικού λι-ιόντος κόβεται στο μισό.

Εκτός από την επιλογή των καταλληλότερων μεγάλων μονάδων τάσης για μια δεδομένη εφαρμογή, ένα κανονικό λι-ιόν δεν πρέπει να παραμείνει στο υψηλής τάσεως ανώτατο όριο 4.20V/cell για έναν παραταθε'ντα χρόνο. Ο λι-ιονικός φορτιστής κλείνει το ρεύμα δαπανών και η τάση μπαταριών επανέρχεται σε ένα φυσικότερο επίπεδο. Αυτό είναι όπως τη χαλάρωση των μυών μετά από μια επίμονη άσκηση.

Το σχήμα 6 επεξηγεί τις δυναμικές δοκιμές το (DST) πίεσης που απεικονίζουν την απώλεια ικανότητας κατά την ανακύκλωση του λι-ιόντος στα διάφορα εύρη ζώνης δαπανών και απαλλαγής. Η απώλεια μεγαλύτερης περιεκτικότητας εμφανίζεται κατά τον απαλλαγή ενός πλήρως χρεωμένου λι-ιόντος σε 25 SOC τοις εκατό (μαύρα) η απώλεια θα ήταν υψηλότερη εάν απαλλάσσεται πλήρως. Η ανακύκλωση μεταξύ 85 και 25 τοις εκατό (πράσινων) παρέχει μια μακρύτερη ζωή υπηρεσιών από χρεώνοντας σε 100 τοις εκατό και εκφορτίζοντας σε 50 τοις εκατό (σκούρο μπλε). Η μικρότερη απώλεια ικανότητας επιτυγχάνεται με τη χρέωση του λι-ιόντος σε 75 τοις εκατό και την εκφόρτιση σε 65 τοις εκατό. Αυτό, εντούτοις, δεν χρησιμοποιεί πλήρως την μπαταρία. Οι υψηλές τάσεις και η έκθεση στην ανυψωμένη θερμοκρασία λέγονται για να υποβιβάσουν την μπαταρία πιό γρήγορα από ανακυκλώνοντας υπό τον κανονικό όρο.

^{Ευγένεια: ResearchGate – διαμόρφωση της λίθιο-ιονικής υποβάθμισης μπαταριών για την αξιολόγηση της ζωής κυττάρων.
το https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Οι αποκλίσεις υπάρχουν μεταξύ του πίνακα 2 και του σχήματος 6 για την αρίθμηση κύκλων. Καμία σαφής εξήγηση δεν είναι διαθέσιμη εκτός από να υποθέσει τις διαφορές στις μεθόδους ποιότητας και δοκιμής μπαταριών. Οι διαφορές μεταξύ του χαμηλού κόστους καταναλωτή και των ανθεκτικών βιομηχανικών βαθμών μπορούν επίσης να διαδραματίσουν έναν ρόλο. Η διατήρηση ικανότητας θα μειωθεί γρηγορότερα στις ανυψωμένες θερμοκρασίες απ'ό, τι σε 20ºC.

Μόνο ένας πλήρης κύκλος παρέχει τη διευκρινισμένη ενέργεια μιας μπαταρίας. Με ένα σύγχρονο ενεργειακό κύτταρο, αυτό είναι 250Wh/kg, αλλά η ζωή κύκλων θα συμβιβαστεί. Όλος που είναι γραμμικός, η ζωή-παράταση μεσαία 85-25 τοις εκατό μειώνει την ενέργεια σε 60 τοις εκατό και αυτό εξισώνει στο μετριασμό της συγκεκριμένης ενεργειακής πυκνότητας από 250Wh/kg σε 150Wh/kg. Τα κινητά τηλέφωνα είναι καταναλωτικά αγαθά που χρησιμοποιούν την πλήρη ενέργεια μιας μπαταρίας. Οι βιομηχανικές συσκευές, όπως η EV, περιορίζουν χαρακτηριστικά τη δαπάνη σε 85% και την απαλλαγή σε 25% για να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής μπαταρίας.

Το σχήμα 7 παρεκτείνει τα στοιχεία από το σχήμα 6 για να επεκτείνει την προβλεφθείσα ζωή κύκλων του λι-ιόντος με τη χρησιμοποίηση ενός προγράμματος παρέκτασης που υποθέτει τη γραμμική αποσύνθεση της ικανότητας μπαταριών με την προοδευτική ανακύκλωση. Εάν αυτό ίσχυε, κατόπιν μια λι-ιονική μπαταρία που ανακυκλώνεται μέσα σε 75%-25% SOC (μπλε) θα εξασθένιζε στην ικανότητα 74% μετά από 14.000 κύκλους. Εάν αυτή η μπαταρία φορτίστηκε σε 85% με την ίδια βάθος--απαλλαγή (πράσινη), η ικανότητα θα μειωνόταν σε 64% σε 14.000 κύκλους, και με μια δαπάνη 100% με ίδιο DoD (μαύρο), η ικανότητα θα μειωνόταν σε 48%. Για άγνωστους λόγους, η πραγματική προσδοκία τείνει να είναι χαμηλότερη απ'ό, τι στη μιμούμενη διαμόρφωση.

Οι λι-ιονικές μπαταρίες φορτίζονται σε τρία διαφορετικά επίπεδα SOC και τη ζωή κύκλων διαμορφωμένη. Ο περιορισμός της σειράς δαπανών παρατείνει τη διάρκεια ζωής μπαταρίας αλλά μειώνει την ενέργεια παραδοθείσα. Αυτό απεικονίζει σε αυξανόμενο βάρος και το μεγαλύτερο αρχικό κόστος.
^{Με την άδεια να χρησιμοποιήσει. Παρεμβολή/παρέκταση από OriginLab.}

^{Οι κατασκευαστές μπαταριών διευκρινίζουν συχνά τη ζωή κύκλων μιας μπαταρίας με 80 DoD. Αυτό είναι πρακτικό επειδή οι μπαταρίες πρέπει να διατηρήσουν κάποια επιφύλαξη πριν από τη δαπάνη κάτω από την κανονική χρήση. (Δείτε Bu-501: Βασικά για την απαλλαγή,«τιαποτελείένανκύκλοαπαλλαγής») πουτοβασίζομαικύκλωνσεDST(δυναμικήδοκιμήπίεσης)διαφέρειμετοντύπομπαταριών, τοχρόνοδαπανών, τοφορτώνονταςπρωτόκολλοκαιτηλειτουργούσαθερμοκρασία. Οιδοκιμέςεργαστηρίωνπαίρνουνσυχνάτουςαριθμούςπουδεν είναιεφικτοίστοντομέα.}

Τι μπορεί ο χρήστης να κάνει;

Οι περιβαλλοντικές συνθήκες, που δεν ανακυκλώνουν μόνο, διέπουν τη μακροζωία των λίθιο-ιονικών μπαταριών. Η χειρότερη κατάσταση κρατά μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία στις ανυψωμένες θερμοκρασίες. Τα πακέτα μπαταριών δεν πεθαίνουν ξαφνικά, αλλά ο χρόνος εκτέλεσης κονταίνει βαθμιαία καθώς η ικανότητα εξασθενίζει.

Οι χαμηλότερες τάσεις δαπανών παρατείνουν τη διάρκεια ζωής μπαταρίας και τα ηλεκτρικοί οχήματα και οι δορυφόροι εκμεταλλεύονται αυτό. Παρόμοια μέτρα θα μπορούσαν επίσης να ληφθούν για τις καταναλωτικές συσκευές, αλλά αυτά προσφέρονται σπάνια το προγραμματισμένο πεπαλαιωμένο φροντίζει αυτό.

Μια μπαταρία lap-top θα μπορούσε να παραταθεί με το χαμήλωμα της τάσης δαπανών όταν συνδέεται με το πλέγμα εναλλασσόμενου ρεύματος. Για να καταστήσει αυτό το χαρακτηριστικό γνώρισμα φιλικό προς το χρήστη, μια συσκευή πρέπει να χαρακτηρίσει έναν «μακράς διαρκείας» τρόπο που κρατά την μπαταρία σε 4.05V/cell και προσφέρει SOC περίπου 80 τοις εκατό. Μια ώρα πρίν ταξιδεύει, ο χρήστης ζητά από τον τρόπο «πλήρης απόδοση» για να φέρει τη δαπάνη σε 4.20V/cell.

Η ερώτηση υποβάλλεται, «εάν αποσύνδεα το lap-top μου από το πλέγμα δύναμης όταν όχι σε λειτουργία;» Υπό κανονικές συνθήκες αυτό δεν πρέπει να είναι απαραίτητο επειδή η φόρτιση σταματά όταν η λι-ιονική μπαταρία είναι πλήρης. Μια δαπάνη καλύμματος εφαρμόζεται μόνο όταν οι πτώσεις τάσης μπαταριών σε ένα ορισμένο επίπεδο. Οι περισσότεροι χρήστες δεν αφαιρούν τη δύναμη εναλλασσόμενου ρεύματος, και αυτή η πρακτική είναι ασφαλής.

Τα σύγχρονα lap-top τρέχουν το δοχείο ψύξης από τα παλαιότερα πρότυπα και οι επισημασμένες πυρκαγιές είναι λιγότεροι. Πάντα κρατήστε τη ροή αέρος ανεμπόδιστη κατά τον τρέξιμο των ηλεκτρικών συσκευών με την αέρας-ψύξη σε ένα κρεβάτι ή ένα μαξιλάρι. Ένα δροσερό lap-top επεκτείνει τη διάρκεια ζωής μπαταρίας και προστατεύει τα εσωτερικά συστατικά. Τα ενεργειακά κύτταρα, που τα περισσότερα καταναλωτικά προϊόντα έχουν, πρέπει να χρεωθούν σε 1C ή λιγότερο. Αποφύγετε τους αποκαλούμενους ultra-fast φορτιστές που υποστηρίζουν ότι χρεώνουν πλήρως το λι-ιόν σε λιγότερο από μια ώρα.