Как продлить срок службы литий-ионных батарей?

Узнайте, что приводит к старению Li-ion аккумуляторов и что может сделать пользователь для продления их срока службы.

Исследования в области создания аккумуляторов настолько сосредоточены на химии лития, что можно предположить, что будущее аккумуляторов зиждется исключительно на нем. Во многом так и есть. Li-ion аккумуляторы постепенно замещают свинцово-кислотные во многих областях применения.

Литий-ионные аккумуляторы еще не идеальны и продолжают совершенствоваться. Заметные успехи были достигнуты в долговечности и безопасности, в то время как емкость увеличивается постепенно. Именно литий-ионным аккумуляторам обязаны своей популярностью электровелосипеды и электросамокаты.

Что вызывает старение литий-ионных аккумуляторов?

Литий-ионный аккумулятор работает на движении ионов между положительным и отрицательным электродами. Теоретически такой механизм должен работать вечно, но цикличность, повышенная температура и старение снижают производительность с течением времени. Производители придерживаются консервативного подхода и указывают, что срок службы литий-ионных аккумуляторов используемых в большинстве потребительских товаров составляет от 300 до 500 циклов разряда/заряда.

Оценка срока службы батареи по циклам разряда/заряда далека от совершенства, потому что разряд может меняться по глубине и нет четких стандартов того, что составляет цикл. Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств рекомендуют замену батареи после определенной даты, но этот метод не учитывает использование. Батарея может выйти из строя в течение отведенного времени из-за интенсивного использования или неблагоприятных температурных условий; однако, большинство аккумуляторов работает значительно дольше, чем указывают изготовители устройств, где они используются.

Производительность аккумулятора измеряется его емкостью — основным показателем «здоровья». Внутреннее сопротивление и саморазряд также играют роль, но они менее значимы в прогнозировании окончания срока службы литий-ионного аккумулятора.

На графике №1 показано падение емкости 11 литий-полимерных аккумуляторов, которые были исследованы в лаборатории Cadex. Ячейки емкостью 1500 mAh для мобильных телефонов сначала заряжались током от 1500 mA (1C) до 4,20 V/cell, затем до 0,05С (75 mA). После чего их разряжали при 1500 mA до 3,0 V/cell, после чего цикл повторяли. Ожидаемая потеря емкости литий-ионной батареи была равномерной в течение 250 циклов.

Несмотря на то, что батарея должна обеспечивать 100-процентную емкость в течение первого года службы, обычно наблюдается снижение емкости. Кроме того, производители, как правило, переоценивают свои батареи, зная, что очень немногие пользователи будут делать выборочные проверки и жаловаться.

Подобно механическому устройству, которое изнашивается быстрее при интенсивном использовании, глубина разряда (DoD) влияет на количество циклов батареи. Чем меньше разряд (низкий DoD), тем дольше будет работать батарея без заметной потери емкости. Если это вообще возможно, избегайте полной разрядки аккумуляторов и заряжайте батарею чаще. У Li-ion нет памяти и аккумуляторы не нуждаются в периодических циклах полной разрядки для продления срока службы.

В таблицах 2, 3 и 4 показаны общие тенденции старения обычных литий-ионных аккумуляторов на основе кобальта в зависимости от глубины разряда, температуры и уровня заряда. В таблицах не рассматриваются сверхбыстрая зарядка и разряды с высокой нагрузкой, которые сокращают срок службы батареи. Не все батареи ведут себя одинаково.

Литий-ионный аккумулятор подвергается стрессу при воздействии высоких температур. Температура выше 30 °C (86 °F) считается повышенной. Воздействие на батарею высоких температур и длительное время в состоянии полной зарядки может быть более вредным, чем ее эксплуатация. Таблица 3 демонстрирует потерю емкости в зависимости от температуры и состояния заряда (SoC).

С точки зрения долговечности, оптимальное зарядное напряжение составляет 3,92 V/cell. В таблице 4 приведены значения емкости в зависимости от уровня заряда.

Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и цифровых камер рассчитаны на 4,20 V/cell, потому что потребители, как правило хотят заряжать свои батареи под завязку. Промышленность, с другой стороны, больше заботится о сроке службы батарей. Спутники и электромобили, как правило не заряжают батареи до максимума, обычно ограничивая заряд 85% и разряжают до 25%, чтобы продлить срок службы батареи.

Обычные литий-ионные аккумуляторы не должны оставаться под воздействием напряжения 4,20 V/cell в течение длительного времени. Зарядное устройство должно отключать зарядный ток, после чего напряжение аккумулятора возвращается к более естественному уровню. Это похоже на расслабление мышц после напряженной тренировки.

На графике №6 показаны динамические стресс-тесты (DST), отражающие потерю емкости. Наибольшая потеря емкости происходит при разряде полностью заряженного аккумулятора до 25% SoC (черный); при полном разряде потеря будет выше. Цикл от 85 до 25% (зеленый) обеспечивает более длительный срок службы, чем зарядка до 100% и разрядка до 50% (темно-синий). Наименьшая потеря емкости достигается за счет зарядки Li-ion до 75% и разрядки до 65%. Что, к сожалению не позволяет использовать батарею в полной мере.

Существуют расхождения между таблицей №2 и графиком №6 по количеству циклов. Однозначных объяснений этому нет, кроме предположения о различиях в качестве аккумуляторов и методах испытаний. Различия между дешевыми потребительскими и долговечными промышленными элементами также могут играть заметную роль в результатах тестов. Сохранение емкости будет снижаться быстрее при температурах выше 20 ºC.

Ограничение диапазона зарядки продлевает срок службы батареи, но уменьшает количество потребляемой энергии. Что не лучшим образом отражается на увеличении веса и первоначальной стоимости батареи.

Что может сделать пользователь?

Условия окружающей среды, а не только циклы заряда/разряда определяют долговечность литий-ионных аккумуляторов. Худший вариант — хранение полностью заряженного аккумулятора при повышенной температуре.
Использование более низкого напряжения при зарядке продлевает срок службы батареи, электромобили и спутники пользуются этим. Но производители бытовых устройств использующих аккумуляторы не заинтересованы в долгом сроке их службы.

Продлить срок службы батареи ноутбука можно путем снижения зарядного напряжения при подключении к сети переменного тока. Чтобы сделать эту функцию удобной для пользователя, устройство должно иметь режим «Long Life», который держит батарею на уровне 4,05V и предлагает SoC около 80%. За час до поездки в места, где зарядиться не получится пользователь включает режим «Полная емкость», чтобы довести заряд до 4,20V.

Возникает вопрос: «нужно ли я отсоединять свой ноутбук от электросети, когда он не используется?» В нормальных условиях в этом нет необходимости, поскольку зарядка прекращается, когда литий-ионная батарея полностью заряжена. Максимальный заряд применяется только тогда, когда напряжение аккумулятора падает до определенного уровня. Большинство пользователей не отключают питание переменного тока, и эта практика безопасна.

Современные ноутбуки работают круче, чем старые модели, а количество пожаров меньше. Всегда держите доступ к вентилятору открытым, особенно когда ноутбук лежит на кровати. Крутой ноутбук продлевает срок службы батареи и защищает внутренние компоненты. Избегайте так называемых сверхбыстрых зарядных устройств, которые утверждают, что полностью заряжают литий-ионную батарею менее чем за час.

Статья batteryuniversity.com
Перевод: Д. Константинов