Hoe te om op lithium-Gebaseerde Batterijen te verlengen

Ontdek wat Li-Ion om veroorzaakt te verouderen en wat de batterijgebruiker kan doen zijn leven verlengen.

Het batterijonderzoek concentreert zich zo veel op lithiumchemie dat men kon veronderstellen dat de batterijtoekomst alleen in lithium ligt. Er zijn goede redenen optimistisch te zijn aangezien het lithium-ion, in menig opzicht is, superieur aan andere chemie. De toepassingen groeien en tasten in markten aan die eerder stevig door loodzuur, zoals reserve en lading het nivelleren werden gehouden. Vele satellieten worden ook aangedreven door Li-ion.

Het lithium-ion heeft nog niet volledig gerijpt en nog verbeterd. De opmerkelijke vorderingen zijn gemaakt in levensduur en veiligheid terwijl de capaciteit oplopend stijgt. Vandaag, ontmoet het Li-Ion de verwachtingen van de meeste apparaten van de consument maar de toepassingen voor EV vergen verdere ontwikkeling alvorens deze krachtbron de toegelaten norm zal worden.

Wat veroorzaakt lithium-Ion om te verouderen?

Werkt de lithium-ion batterij aan ionenbeweging tussen de positieve en negatieve elektroden. In theorie zou zulk een mechanisme voor altijd moeten werken, maar het cirkelen, de opgeheven temperatuur en het verouderen verminderen na verloop van tijd de prestaties. De fabrikanten kiezen een conservatieve benadering en specificeren het leven van Li-Ion in de meeste verbruiksgoederen zoals zijnd tussen 300 en 500 lossing/lastencycli.

De evaluatie van levensduur batterij bij het tellen van cycli is niet afdoend omdat een lossing kan diepgaand variëren en er geen welomlijnde normen zijn van wat een cyclus vormt. In plaats van cyclustelling, stellen sommige apparatenfabrikanten batterijvervanging op een datumzegel voor, maar deze methode houdt rekening met geen gebruik. Een batterij kan binnen de toegewezen tijd ontbreken toe te schrijven aan zwaar gebruik of ongunstige temperatuurvoorwaarden; nochtans, duren de meeste pakken aanzienlijk langer dan op wat de zegel wijst.

De prestaties van een batterij worden gemeten in capaciteit, een belangrijke gezondheidsindicator. De interne weerstand en self-discharge speelt ook rollen, maar deze zijn minder significant in het voorspellen van het eind van levensduur batterij met modern Li-Ion.

Figuur 1 illustreert de capaciteitsdaling van 11 Li-Polymeer batterijen die bij een Cadex-laboratorium zijn gecirkeld. De 1,500mAh-zakcellen voor mobiele telefoons werden eerst geladen bij een stroom van 1,500mA (1C) aan 4.20V/cell en toestonden toen om aan 0.05C (75mA) als deel van de volledige lastenverzadiging te verzadigen. De batterijen werden toen gelost bij 1,500mA aan 3.0V/cell, en de cyclus werd herhaald. Het verwachte capaciteitsverlies van Li-Ionenbatterijen was eenvormig over de geleverde 250 cycli en de batterijen uitgevoerd zoals verwacht.

Werd nieuw Li-Ion elf getest op een de batterijanalysator van Cadex C7400. Alle pakken begonnen bij een capaciteit van 88-94% en verminderden aan 73-84% na 250 volledige lossingscycli. De 1500mAh-zakpakken worden gebruikt in mobiele telefoons.

De volgende lijsten wijzen spanning op verwante capaciteitsverliezen op op kobalt-gebaseerd lithium-ion. De voltages van het fosfaat van het lithiumijzer en lithiumtitanaat zijn lager en zijn niet op de gegeven van toepassing voltageverwijzingen.
Hoewel een batterij 100 percenten capaciteits tijdens het eerste jaar van de dienst zou moeten leveren, is het gemeenschappelijk om lager te zien dan gespecificeerde capaciteiten, en de houdbaarheid kan tot dit verlies bijdragen. Bovendien neigen de fabrikanten om hun batterijen te overschatten, wetend dat zeer weinig gebruikers spot-checks zullen doen en als licht zullen klagen. Niet moetend enige cellen in mobiele telefoons en tabletten aanpassen, zoals in multi-celpakken wordt vereist, opent de sluisdeuren voor een veel bredere prestatiesgoedkeuring. De cellen met lagere capaciteiten kunnen door barsten uitglijden zonder het het weten van de consument.

Gelijkaardig aan een mechanisch apparaat dat sneller met zwaar gebruik uitgeput raakt, bepaalt de diepte van lossing (DoD) de cyclustelling van de batterij. Kleiner de lossing (lage DoD) zal, langer de batterij duren. Al dan niet mogelijk, volledige lossingen vermijd en vaker de batterij tussen gebruik laad. De gedeeltelijke lossing op Li-Ion is fijn. Er is geen geheugen en de batterij vergt geen periodieke volledige lossingscycli om het leven te verlengen. De uitzondering kan een periodieke kaliberbepaling van de brandstofmaat op een slimme batterij of een intelligent apparaat zijn.

Lijst 2 schat het aantal lossing/lastencycli Li-Ion op diverse DoD niveaus vóór de dalingen van de batterijcapaciteit aan 70 percenten kan leveren. DoD vormt een volledige die last door een lossing op het vermelde staat-van-last (SoC)-niveau in de lijst wordt gevolgd.

Het lithium-ion lijdt aan spanning wanneer blootgesteld aan hitte, doet dat het houden van een cel bij een hoog lastenvoltage. Een batterijwoning boven 30°C (86°F) wordt beschouwd als opgeheven temperatuur en voor het meeste Li-Ion wordt een voltage boven 4.10V/cell geacht als hoogspanning. Blootstellen van de batterij aan op hoge temperatuur en blijven stilstaan in een volledige staat-van-last voor een uitgebreide tijd kunnen zwaarder zijn dan cirkelend. Lijst 3 toont capaciteitsverlies als functie van temperatuur en Soc. aan.

De meeste Li-Ionen laden aan 4.20V/cell, en elke vermindering van pieklastenvoltage van wordt 0.10V/cell gezegd om het cyclusleven te verdubbelen. Bijvoorbeeld, levert een lithium-ionendiecel aan 4.20V/cell wordt geladen typisch 300-500 cycli. Indien geladen aan slechts 4.10V/cell, kan het leven aan 600-1,000 cycli worden verlengd; 4.0V/cell zou 1,200-2,000 moeten leveren en 3.90V/cell zou 2,400-4,000 cycli moeten verstrekken.

negatief gezien, vermindert een lager pieklastenvoltage de capaciteit de batterijopslag. Als eenvoudige richtlijn, vermindert elk 70mV-verminderings verantwoordelijk voltage de algemene capaciteit door 10 percenten. Het toepassen van het pieklastenvoltage op zal een verdere last de volledige capaciteit herstellen.

In termen van levensduur, is het optimale lastenvoltage 3.92V/cell. De batterijdeskundigen geloven dat deze drempel op voltage betrekking hebbend alle beklemtoont elimineert; het gaan lager kan verdere voordelen niet bereiken maar veroorzaakt andere symptomen. Lijst 4 vat de capaciteit als functie van lastenniveaus samen. (Alle waarden worden geschat; De energiecellen met hoger voltagedrempels kunnen afwijken.)

Experiment: De Chalmersuniversiteit van Technologie, Zweden, rapporteert dat het gebruiken van een verminderd lastenniveau van 50%-Soc de levenverwachting van de voertuig Li-Ionenbatterij met 44-130% verhoogt.

De meeste laders voor mobiele telefoons, laptops, tabletten en digitale camera's laden Li-Ion aan 4.20V/cell. Dit staat maximumcapaciteit toe, omdat de consument niets minder dan optimale runtime wil. De industrie, anderzijds, is meer bezorgd over levensduur en kan drempels met geringer voltage kiezen. De satellieten en de elektrische voertuigen zijn dergelijke voorbeelden.

Om veiligheidsredenen, kunnen vele lithium-ionen geen 4.20V/cell overschrijden. (Één of andere NMC is de uitzondering.) Terwijl een hoger voltage capaciteit opvoert, verkort het overschrijden van het voltage levensduur en compromitteert veiligheid. Figuur 5 toont cyclustelling als functie van lastenvoltage aan. Bij 4.35V, wordt de cyclustelling van een regelmatig Li-Ion gesneden in de helft.

Naast het selecteren van de meest geschikte voltagedrempels voor een bepaalde toepassing, zou een regelmatig Li-Ion niet bij het plafond met hoog voltage van 4.20V/cell voor een uitgebreide tijd moeten blijven. De Li-Ionenlader zet de lastenstroom uit en het batterijvoltage keert aan een natuurlijker niveau terug. Dit is als het ontspannen van de spieren na een zware oefening.

Figuur 6 illustreert dynamische stresstests (DST) die capaciteits op verlies wijzen wanneer het cirkelen van Li-Ion bij diverse last en lossingsbandbreedte. Het grootste capaciteitsverlies komt wanneer het lossen van een volledig geladen Li-Ion aan 25 (zwarte) percentensoc voor; het verlies zou hoger als volledig gelost zijn. Het cirkelen tussen 85 en 25 (groene) percenten verstrekt een langere levensduur dan ladend aan 100 percenten en lossend aan 50 (donkerblauwe) percenten. Het kleinste capaciteitsverlies wordt bereikt door Li-Ion te laden aan 75 percenten en aan 65 percenten te lossen. Dit, echter, gebruikt volledig niet de batterij. De hoge voltages en de blootstelling aan opgeheven temperatuur worden gezegd om de batterij sneller te degraderen dan cirkelend op normale voorwaarde.

^{Hoffelijkheid: ResearchGate – Modellering van lithium-Ionenbatterijdegradatie voor de Beoordeling van het Celleven.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Discrepantie er bestaat tussen Lijst 2 en Figuur 6 aangaande cyclustelling. Geen duidelijke verklaringen zijn beschikbaar buiten het veronderstellen van verschillen in van de batterijkwaliteit en test methodes. De verschillen tussen goedkope consument en duurzame industriële rangen kunnen een rol ook spelen. Het capaciteitsbehoud zal sneller bij opgeheven temperaturen dan bij 20ºC dalen.

Slechts verstrekt een volledige cyclus de gespecificeerde energie van een batterij. Met een moderne Energiecel, is dit 250Wh/kg, maar het cyclusleven zal worden gecompromitteerd. Allen die lineair zijn, leven-verlengt mid-range van 85-25 percenten vermindert de energie tot 60 percenten en dit vergelijkt aan het matigen van de specifieke energiedichtheid van 250Wh/kg aan 150Wh/kg. De mobiele telefoons zijn consumptiegoederen die de volledige energie van een batterij gebruiken. De industriële apparaten, zoals EV, beperken typisch de last tot 85% en lossing aan 25% om levensduur batterij te verlengen.

Figuur 7 extrapoleert de gegevens van Figuur 6 om het voorspelde cyclusleven van Li-Ion uit te breiden door een extrapolatieprogramma te gebruiken dat lineair bederf van batterijcapaciteit met het progressieve cirkelen veronderstelt. Als dit waar was, dan zou een Li-Ionendiebatterij binnen 75%-25% (blauw) wordt gecirkeld Soc aan 74%-capaciteit na 14.000 cycli langzaam verdwijnen. Als deze batterij aan 85% met zelfde (groene) diepte-van-lossing werd geladen, zou de capaciteit aan 64% bij 14.000 cycli dalen, en met een 100%-last met zelfde (zwart) DoD, zou de capaciteit aan 48% dalen. Om onbekende redenen, neigt de echte verwachting lager dan te zijn in gesimuleerde modellering.

De li-ionenbatterijen worden geladen aan drie verschillende Soc-niveaus en het gemodelleerde cyclusleven. Het beperken van de lastenwaaier verlengt levensduur batterij maar vermindert geleverde energie. Dit denkt in verhoogd gewicht en hogere aanvankelijke kosten na.
^{Met toestemming te gebruiken. Interpolatie/extrapolatie door OriginLab.}

^{De batterijfabrikanten specificeren vaak het cyclusleven van een batterij met 80 DoD. Dit is praktisch omdat de batterijen wat reserve vóór last onder normaal gebruik zouden moeten behouden. (Zie bu-501: Grondbeginselen over het Lossen,„wateenLossingscyclus“vormt)decyclustellingopDST(dynamischestresstest)metbatterijtype, lastentijd, ladendprotocolenwerkendetemperatuurverschilt. Delabotestenwordenvaakaantallendieniethaalbaarophetgebiedzijn.}

Wat kan de Gebruiker doen?

De milieuvoorwaarden die, regeren de levensduur van lithium-ionenbatterijen alleen cirkelen niet. De slechtste situatie houdt een volledig geladen batterij bij opgeheven temperaturen. De batterijpakken sterven niet plotseling, maar runtime verkort geleidelijk aan aangezien de capaciteit langzaam verdwijnt.

De lagere lastenvoltages verlengen levensduur batterij en de elektrische voertuigen en de satellieten halen voordeel uit dit. De gelijkaardige bepalingen konden ook voor de apparaten van de consument worden gemaakt, maar deze worden zelden aangeboden; het geplande in onbruik raken behandelt dit.

Een laptop batterij zou kunnen worden verlengd door het lastenvoltage te verminderen wanneer verbonden met het AC net. Om deze eigenschap gebruikersvriendelijk te maken, zou een apparaat een wijze „Met lange levensuur moeten kenmerken“ die de batterij bij 4.05V/cell houdt en Soc van ongeveer 80 percenten aanbiedt. Één uur alvorens te reizen, verzoekt de gebruiker de „Volledige Capaciteits“ wijze om de last aan 4.20V/cell te brengen.

De vraag wordt gesteld, „indien ik mijn laptop van het machtsnet wanneer niet in gebruik?“ losmaak In normale omstandigheden zou dit niet moeten noodzakelijk zijn omdat het laden ophoudt wanneer de Li-Ionenbatterij volledig is. Een bovenste laagjelast wordt slechts wanneer de dalingen van het batterijvoltage toegepast op een bepaald niveau. De meeste gebruikers verwijderen niet de wisselstroom, en deze praktijk is veilig.

Moderne laptops stellen koeler in werking dan oudere modellen en de gemelde branden zijn minder. Houd altijd de luchtstroom onbelemmerd wanneer het runnen van elektrische apparaten met lucht-koelt op een bed of een hoofdkussen. Koele laptop breidt levensduur batterij uit en beschermt de interne componenten. De energiecellen, die de meeste verbruiksgoederen hebben, zouden bij 1C moeten worden geladen of minder. Vermijd zogenaamde ultrasnelle laders die eisen om Li-Ion in minder dan één uur volledig te laden.