Kérdése van? Hívjon minket! +36305251033

Lithium-ion

Hogyan növeljük meg a Lithium-ion akkumulátor élettartamát?

Bálint Levente
2020.10.19 11:45

BU-808: Hogyan növeljük a lítium akkumulátor élettartmát

Fedezze fel, mi okozhatja a Li-ion öregedését, és mit tehet az akkumulátor felhasználója annak meghosszabbítása érdekében.

 

Az elemző kutatások annyira a lítium kémiai anyagokra összpontosítanak, hogy el lehet képzelni, hogy az akkumulátor jövője kizárólag a lítiumban rejlik. Jó okok vannak az optimizmusra, mivel a lítium-ion sok szempontból felülmúlja a többi kémiai összetételét. Az alkalmazások egyre növekszenek, és olyan piacokra hatolnak, amelyeket korábban szilárdan tartott az ólomsav, például a készenléti és a terhelési szinteket. Sok műholdat is Li-ion működtet.

 

A lítium-ion még nem érett meg teljesen, és még mindig javul. Figyelemre méltó előrelépés történt a hosszú élettartam és a biztonság terén, miközben a kapacitás növekszik. Ma a Li-ion megfelel a legtöbb fogyasztói eszköz elvárásainak, de az EV-vel kapcsolatos alkalmazásokat tovább kell fejleszteni, mielőtt ez az áramforrás elfogadott normává válna.

Fedezze fel, mi okozhatja a Li-ion öregedését, és mit tehet az akkumulátor felhasználója annak meghosszabbítása érdekében.

 

Az elemző kutatások annyira a lítium kémiai anyagokra összpontosítanak, hogy el lehet képzelni, hogy az akkumulátor jövője kizárólag a lítiumban rejlik. Jó okok vannak az optimizmusra, mivel a lítium-ion sok szempontból felülmúlja a többi kémiai összetételét. Az alkalmazások egyre növekszenek, és olyan piacokra hatolnak, amelyeket korábban szilárdan tartott az ólomsav, például a készenléti és a terhelési szinteket. Sok műholdat is Li-ion működtet.

 

A lítium-ion még nem érett meg teljesen, és még mindig javul. Figyelemre méltó előrelépés történt a hosszú élettartam és a biztonság terén, miközben a kapacitás növekszik. Ma a Li-ion megfelel a legtöbb fogyasztói eszköz elvárásainak, de az EV-vel kapcsolatos alkalmazásokat tovább kell fejleszteni, mielőtt ez az áramforrás elfogadott normává válna.

 

 

 

Mi okozza a lítium-ion életkorát?

A lítium-ion akkumulátor a pozitív és a negatív elektróda közötti ionmozgáson dolgozik. Elméletileg egy ilyen mechanizmusnak örökké működnie kell, de a kerékpározás, az emelkedett hőmérséklet és az öregedés idővel csökkenti a teljesítményt. A gyártók konzervatív megközelítést alkalmaznak, és a legtöbb fogyasztási cikkben a Li-ion élettartamát 300 és 500 kisütési / töltési ciklus között határozzák meg.

 

2020-ban a kis hordható akkumulátorok körülbelül 300 ciklust szállítanak, míg a modern okostelefonok élettartama legalább 800 ciklus. A legnagyobb előrelépés az EV akkumulátorokban történik, az egymillió mérföldes akkumulátorról szólva 5000 ciklust jelent.

 

Az akkumulátor élettartamának értékelése a számlálási ciklusokban nem meggyőző, mert a kisülés mélysége eltérhet, és nincsenek egyértelműen meghatározott szabványok arról, hogy mi minősül ciklusnak. A ciklusszám helyett néhány eszközgyártó javasolja az elem cseréjét egy dátumbélyegzőn, de ez a módszer nem veszi figyelembe a felhasználást. Az akkumulátor a megadott időn belül meghibásodhat a nehéz használat vagy a kedvezőtlen hőmérsékleti viszonyok miatt; a legtöbb csomag azonban jóval hosszabb ideig tart, mint amit a bélyegző mutat.

 

Az akkumulátor teljesítményét kapacitásként mérik, ez a vezető egészségügyi mutató. A belső ellenállás és az önkisülés is szerepet játszik, de ezek kevésbé jelentősek ahhoz, hogy előre jelezzék az akkumulátor élettartamának végét a modern Li-ionnal.

 

Az 1. ábra 11 Li-polimer akkumulátor kapacitáscsökkenését szemlélteti, amelyeket egy Cadex laboratóriumban keringtek. A mobiltelefonok 1500mAh tasakcelláit először 1500mA (1C) - 4,20V / cella árammal töltötték fel, majd a teljes töltöttség részeként hagyták 0,05C (75mA) -ig telítődni. Az elemeket ezután 1500 mA-ről 3,0 V / cellára lemerítették, és a ciklust megismételték. A Li-ion akkumulátorok várható kapacitásvesztesége egyenletes volt a leszállított 250 ciklus alatt, és az elemek a várt módon teljesítettek.

 

 

Figure 1: Capacity drop as part of cycling. Eleven new Li-ion were tested on a Cadex C7400 battery analyzer. All packs started at a capacity of 88–94% and decreased to 73–84% after 250 full discharge cycles. The 1500mAh pouch packs are used in mobile phones.

Courtesy of Cadex

 

Bár az akkumulátornak az első üzemév során 100 százalékos kapacitást kell biztosítania, gyakran látni a megadottnál alacsonyabb kapacitásokat, és az eltarthatóság hozzájárulhat ehhez a veszteséghez. Ezenkívül a gyártók hajlamosak túlértékelni az akkumulátorokat, tudván, hogy nagyon kevés felhasználó végez szúrópróbaszerű ellenőrzést és panaszkodik, ha lemerül. Ha nem kell egyetlen cellát összehangolni a mobiltelefonokban és a táblagépekben, ahogyan azt a többcellás csomagokban megköveteli, akkor a kapuk sokkal szélesebb körű teljesítmény-elfogadáshoz nyílnak. Az alacsonyabb kapacitású sejtek a fogyasztó tudta nélkül átcsúszhatnak a repedéseken.

 

Hasonlóan egy mechanikus eszközhöz, amely nagyobb igénybevétel esetén gyorsabban elhasználódik, a kisütés mélysége (DoD) meghatározza az akkumulátor ciklusszámát. Minél kisebb a kisütés (alacsony DoD), annál hosszabb ideig tart az akkumulátor. Ha csak lehetséges, kerülje a teljes lemerülést, és a használat között gyakrabban töltse fel az akkumulátort. A Li-ion részleges kisülése rendben van. Nincs memória, és az élettartam meghosszabbításához az akkumulátornak nincs szüksége periodikus teljes kisütési ciklusokra. Kivételt képezhet az intelligens akkumulátor vagy intelligens eszköz üzemanyagmérőjének időszakos kalibrálása. Az alábbi táblázatok a kobalt-alapú lítium-ion feszültséggel kapcsolatos kapacitásveszteségeit mutatják be. A lítium-vas-foszfát és a lítium-titanát feszültségei alacsonyabbak, és nem vonatkoznak a megadott feszültségreferenciákra.

 

Jegyzet:

A 2., 3. és 4. táblázat a közös kobaltalapú Li-ion akkumulátorok általános öregedési tendenciáit mutatja a kisütés mélységén, a hőmérsékleten és a töltöttségi szinteken. A 6. táblázat a kapacitásveszteséget vizsgálja tovább, amikor a megadott és kisütési sávszélességeken belül működik. A táblázatok nem foglalkoznak az ultragyors töltéssel és a nagy terhelésű lemerülésekkel, amelyek lerövidítik az akkumulátor élettartamát. Egyetlen elem sem viselkedik egyformán.

 

A 2. táblázat becslése szerint a Li-ion különféle DoD-szinteken képes leadni a kisütési / töltési ciklusokat, mielőtt az akkumulátor kapacitása 70 százalékra csökken. A DoD egy teljes töltést jelent, amelyet egy kisütés követ a táblázatban feltüntetett töltöttségi szint (SoC) szintjére.

 

 

 

Merülés mértéke

 

Lemerülési diklus

képes 2: A ciklus életének függvényében

a részleges kisülés csökkenti a stresszt és meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, így a részleges töltés is. A megemelkedett hőmérséklet és a nagy áram hatással van a ciklus életére is.

 

Megjegyzés: A 100% DoD egy teljes ciklus; 10% nagyon rövid. A kerékpározás közepes töltésű állapotban lenne a legjobb élettartam.

 

NMC

LiPO4

100% DoD

~300

~600

80% DoD

~400

~900

60% DoD

~600

~1,500

40% DoD

~1,000

~3,000

20% DoD

~2,000

~9,000

10% DoD

~6,000

~15,000

 

A lítium-ion hő hatásának kitéve stressztől szenved, így a cellát magas töltőfeszültségen is tartja. A 30 ° C (86 ° F) felett tartózkodó akkumulátort magas hőmérsékletnek tekintik, és a legtöbb Li-ion esetében a 4,10 V / cella feletti feszültséget tekintik magas feszültségnek. Ha az akkumulátort magas hőmérsékletnek tesszük ki, és hosszabb ideig teljes töltöttségi állapotban tartózkodunk, stresszesebb lehet, mint a kerékpározás. A 3. táblázat a kapacitásveszteséget mutatja be a hőmérséklet és az SoC függvényében.

 

Hőmérséklet

40% töltöttségi szint

100% töltöttségi szint

3. táblázat: Becsült visszanyerhető kapacitás, ha a Li-iont egy évig különböző hőmérsékleteken tárolják. A megemelt hőmérséklet meggyorsítja a tartós kapacitásvesztést. Nem minden Li-ion rendszer viselkedik egyformán.

0°C

98% (1 év után)

94% (1 év után)

25°C

96% (1 év után)

80% (1 év után)

40°C

85% (1 év után)

65% (1 év után)

60°C

75% (1 év után)

60%

(3 hónap után)

 

A legtöbb Li-ion 4,20 V / cellára töltődik, és a csúcstöltési feszültség minden 0,10 V / cellás csökkenése megduplázza a ciklus élettartamát. Például egy 4,20 V / cellára feltöltött lítium-ion sejt általában 300–500 ciklust hajt végre. Ha csak 4,10 V / cellára töltik, akkor az élettartam 600-1000 ciklusra meghosszabbítható; A 4,0 V / cella 1200–2000, a 3,90 V / cella pedig 2400–4000 ciklust biztosít.

 

Negatívumként az alacsonyabb csúcstöltési feszültség csökkenti az akkumulátor kapacitását. Egyszerű iránymutatásként a töltőfeszültség minden 70 mV-os csökkentése 10% -kal csökkenti a teljes kapacitást. A csúcstöltési feszültség későbbi feltöltésével visszaállítja a teljes kapacitást.

 

A hosszú élettartamot tekintve az optimális töltési feszültség 3,92 V / cella. Az akkumulátor szakértők úgy vélik, hogy ez a küszöb kiküszöböli az összes feszültséggel kapcsolatos feszültséget; az alacsonyabb lefelé haladás nem nyerhet további előnyöket, de más tüneteket vált ki. (Lásd: BU-808b: Mi okozza a Li-ion halálát?) A 4. táblázat összefoglalja a kapacitást a töltésszintek függvényében. (Minden érték becsült; a magasabb feszültség küszöbértékű energiacellák eltérhetnek.)

 

 

Töltöttségi szint*(V/cell)

Merülési ciklusok

Elérhető tárolt enerfia **

4. táblázat: A kisütési ciklusok és a kapacitás a töltési feszültség határának függvényében. Minden 0,10 V-os 4,20 V / cella alá esés megduplázza a ciklust, de kevesebb kapacitással rendelkezik. A feszültség 4,20 V / cella fölé emelése lerövidíti az élettartamot. A leolvasások a rendszeres Li-ion töltést tükrözik 4,20 V / cellára.

Irányelv: Minden 70 mV-os töltési feszültségesés 10% -kal csökkenti a hasznos kapacitást.

 

Megjegyzés: A részleges töltés tagadja a Li-ion előnyét a magas fajlagos energia szempontjából.

 

* Hasonló életciklusok vonatkoznak a különböző feszültségszintű akkumulátorokra teljes feltöltéssel.

 

** Teljesen újratöltött, 100% -os kapacitású akkumulátor alapján.

 

[4.30]

[150–250]

[110–115%]

4.25

200–350

105–110%

4.20

300–500

100%

4.15

400–700

90–95%

4.10

600–1,000

85–90%

4.05

850–1,500

80–85%

4.00

1,200–2,000

70–75%

3.90

2,400–4,000

60–65%

3.80

See note

35–40%

3.70

See note

30% and less

 

Kísérlet: A svéd Chalmers Műszaki Egyetem jelentése szerint a csökkentett 50% -os SOC töltöttségi szint használata 44–130% -kal növeli a jármű Li-ion akkumulátorának várható élettartamát.

 

A mobiltelefonok, laptopok, táblagépek és digitális fényképezőgépek legtöbb töltője 4,20 V / cellás lítiumiont tölt. Ez lehetővé teszi a maximális kapacitást, mert a fogyasztó nem akar kevesebbet, mint az optimális futásidőt. Az ipar viszont jobban aggódik a hosszú élettartam miatt, és választhat alacsonyabb feszültségküszöböt. Ilyenek például a műholdak és az elektromos járművek.

 

Biztonsági okokból sok lítiumion nem haladhatja meg a 4,20 V / cellát. (Néhány NMC kivétel.) Míg a nagyobb feszültség növeli a kapacitást, a feszültség túllépése lerövidíti az élettartamot és veszélyezteti a biztonságot. Az 5. ábra a ciklusszámlálást mutatja a töltési feszültség függvényében. 4,35 V feszültség mellett a szabályos Li-ion ciklusainak száma felére csökken.

 

  1. ábra: A ciklus élettartamára gyakorolt ​​hatás megnövelt töltési feszültség mellett. A magasabb töltési feszültség növeli a kapacitást, de csökkenti a ciklus élettartamát és veszélyezteti a biztonságot.

Forrás: Choi et al. (2002)

 

Amellett, hogy kiválasztja a legmegfelelőbb feszültségküszöböket egy adott alkalmazáshoz, a szabályos Li-ion nem maradhat hosszabb ideig a 4,20 V / cella magas feszültségű mennyezeten. A Li-ion töltő kikapcsolja a töltőáramot, és az akkumulátor feszültsége természetesebb szintre áll vissza. Ez olyan, mint az izmok ellazítása egy megerőltető gyakorlat után. A 6. ábra a dinamikus stresszteszteket (DST) szemlélteti, amelyek tükrözik a kapacitásveszteséget, amikor a Li-iont különféle töltési és kisütési sávszélességeken tekerik. A legnagyobb kapacitásveszteség akkor fordul elő, ha egy teljesen feltöltött Li-iont 25% SoC-ig (fekete) ürítenek; a veszteség nagyobb lenne, ha teljesen elszállítják. A 85 és 25 százalék közötti (zöld) kerékpározás hosszabb élettartamot biztosít, mint a 100 százalékos és 50 százalékos (sötétkék) töltés. A legkisebb kapacitásveszteséget akkor érik el, ha a Li-iont 75% -ig töltik, és 65% -ig töltik ki. Ez azonban nem használja ki teljesen az akkumulátort. A magas feszültségek és a magas hőmérsékletnek való kitettség állítólag gyorsabban károsítják az akkumulátort, mint normál körülmények között kerékpározni.

  1. ábra: Kapacitásveszteség a töltés és a kisütési sávszélesség függvényében. *

A Li-ion töltése és kisütése csak részben meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, de csökkenti a kihasználtságot.

 

  1. eset: 75–65% SoC a leghosszabb ciklusidővel rendelkezik, de csak 90 000 energiaegységet szállít (EU). Az akkumulátor 10% -át kihasználja.
  2. eset: 75–25% -os SoC 3000 ciklusú (90% -os kapacitással), és 150 000 EU-t szállít. Az akkumulátor 50% -át kihasználja. (EV akkumulátor, új.)
  3. eset: 85–25% -os SoC-nak 2000 ciklusa van. 120 000 EU-t szállít. Az akkumulátor 60% -át használja fel.
  4. eset: 100–25% SoC; hosszú üzemidő 75% -os akkumulátorhasználattal. Rövid élete van. (Mobiltelefon, drón stb.)

Kedvesség: ResearchGate - Lítium-ion akkumulátorok lebomlásának modellezése a sejtek életének felmérése céljából.

https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment

* Eltérések vannak a 2. táblázat és a 6. ábra között a ciklusok számával kapcsolatban. Az elem minőségében és a vizsgálati módszerekben való eltérések feltételezésén kívül nincsenek egyértelmű magyarázatok. Az alacsony költségű fogyasztói és tartós ipari minőségek közötti eltérések szintén szerepet játszhatnak. A kapacitás megtartása gyorsabban csökken magas hőmérsékleten, mint 20 ° C-on.

 

Csak egy teljes ciklus biztosítja az akkumulátor meghatározott energiáját. Egy modern energiacellával ez körülbelül 250Wh / kg, de a ciklus élettartama veszélybe kerül. Bár lineáris, az életet meghosszabbító, 85-25 százalékos középtartomány 60 százalékra csökkenti az energiát, és ez egyenértékű a fajlagos energiasűrűség mérséklésével 250Wh / kg-ról 150Wh / kg-ra. A mobiltelefonok olyan fogyasztási cikkek, amelyek az akkumulátor teljes energiáját felhasználják. Az ipari eszközök, például az EV, általában az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében a töltést 85% -ra, a lemerülést 25% -ra, vagyis 60% -os energiafelhasználásra korlátozzák. (Lásd: Miért nem bírnak a mobiltelefon-akkumulátorok annyi ideig, mint az EV-akkumulátorok).

 

 

  1. ábra: A belső ellenállás éles növekedése a Li-ion ciklusmélységének növelésével.

Megjegyzés: A DC módszer más belső ellenállást mutat, mint az AC módszer (zöld keret). A legjobb eredmény elérése érdekében használja a DC módszert a terhelés kiszámításához.

Forrás: Technische Universität München (TUM)

 

A 8. ábra extrapolálja a 6. ábra adatait a Li-ion várható ciklusának kitágítására egy extrapolációs program alkalmazásával, amely az akkumulátor kapacitásának lineáris bomlását feltételezi progresszív ciklus mellett. Ha ez igaz lenne, akkor a 75% –25% SoC (kék) tartományba eső Li-ion akkumulátor 14 000 ciklus után 74% -os kapacitássá válna. Ha ezt az akkumulátort 85% -ra töltenék ugyanolyan kisütési mélységgel (zöld), akkor a kapacitás 64% -ra csökken 14 000 ciklusnál, és 100% -os töltéssel ugyanezzel a DoD-val (fekete) a kapacitás 48% -ra csökken . Ismeretlen okokból kifolyólag a valós élet várható élettartama alacsonyabb, mint a szimulált modellezésnél. (Lásd: BU-208: Kerékpáros teljesítmény)

 

 

  1. ábra: Az akkumulátor élettartamának prediktív modellezése extrapolációval.

A lítium-ion akkumulátorokat három különböző SoC-szintre töltik fel, és a ciklus élettartamát modellezik. A töltési tartomány korlátozása meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, de csökkenti a leadott energiát. Ez a megnövekedett tömegben és a magasabb kezdeti költségekben jelentkezik.

Használat engedélyével. Interpoláció / extrapoláció az OriginLab segítségével.

 

Az akkumulátorgyártók gyakran meghatározzák az akkumulátor ciklusidőjét egy 80 DoD-vel. Ez praktikus, mert az akkumulátoroknak a normál használat során fel kell tölteniük bizonyos tartalékot, mielőtt feltöltődnek. (Lásd: BU-501: A lemerítés alapjai, „Mi képezi a kisütési ciklust”.) A DST (dinamikus stresszteszt) ciklusszáma eltér az akkumulátor típusától, a töltési időtől, a töltési protokolltól és az üzemi hőmérséklettől. A laboratóriumi tesztek gyakran olyan számokat kapnak, amelyek nem érhetők el a terepen.

 

Mit tehet a felhasználó?

A lítium-ion akkumulátorok hosszú élettartamát a környezeti viszonyok szabják meg. A legrosszabb helyzet a teljesen feltöltött akkumulátor magas hőmérsékleten tartása. Az akkumulátorok nem halnak meg hirtelen, de az üzemidő fokozatosan lerövidül, ahogy a kapacitás csökken.

 

Az alacsonyabb töltési feszültség meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, és ezt elektromos járművek és műholdak használják ki. Hasonló rendelkezéseket lehetne hozni a fogyasztói eszközökre is, de ezeket ritkán kínálják; a tervezett elavulás gondoskodik erről.

 

A laptop akkumulátora meghosszabbodhat a töltési feszültség csökkentésével, amikor az AC hálózathoz csatlakozik. A szolgáltatás felhasználóbaráttá tétele érdekében egy eszköznek tartalmaznia kell egy „Hosszú élettartam” üzemmódot, amely az akkumulátort 4,05 V / cellán tartja és körülbelül 80 százalékos SoC-t kínál. Egy órával utazás előtt a felhasználó kéri a „Teljes kapacitás” módot, hogy a töltés 4,20 V / cellára emelkedjen.

 

 

Gyakori kérdést: „Ha nem használom, akkor le kell választanom a laptopomat az elektromos hálózatról?” 

Normális körülmények között erre nincs szükség, mert a töltés akkor áll le, amikor a lítium-ion akkumulátor megtelik. A feltöltést csak akkor töltik fel, ha az akkumulátor feszültsége egy bizonyos szintre csökken. A legtöbb felhasználó nem távolítja el az áramellátást, és ez a gyakorlat biztonságos.

 

A modern laptopok hűvösebben működnek, mint a régebbi modellek, és a jelentett tűzesetek száma kevesebb. Mindig akadálytalanul tartsa a légáramlást, ha ágyon vagy párnán üzemeltet levegőhűtéses elektromos készülékeket. A hűvös laptop meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát és védi a belső alkatrészeket. Az energiacellákat, amelyek a legtöbb fogyasztási cikkben megtalálhatók, 1C-nál alacsonyabb hőmérsékleten kell tölteni. Kerülje az úgynevezett ultragyors töltőket, amelyek azt állítják, hogy kevesebb mint egy órán belül teljesen feltöltik a Li-iont.