Сколько служат литиевые батареи

6

Сроки службы литиевых аккумуляторов

При выработке ресурса аккумуляторной батареи ее разрядная емкость падает до значения, установленного технической документацией, и АКБ подлежит замене. Но устанавливаемый производителями ресурс источника энергии – это приблизительное значение, которое на практике может отклоняться в сторону увеличения или уменьшения.

При правильном уходе химические источники энергии служат примерно в 15 раз дольше, чем при несоблюдении правил их использования. Ответ на вопрос, какой срок службы литий-ионных аккумуляторов, зависит от ряда факторов. В их числе:

• электрохимический состав накопителей – у приборов типа LiCoO2 или LiMn2O4 число циклов разряда-заряда составляет 500–1000, а у АКБ с типом химииLiFePO4– 1000–2000 и даже 3000;
• соблюдение правил их эксплуатации и хранения;
• температурные условия при хранении и использовании АКБ;
• режим заряда;
• глубина разряда.

Литий-ионные накопители энергии имеют малый саморазряд, высокий ресурс, большую удельную емкость. Их износ фиксируется при падении емкости до 80% от исходного значения. Но на практике приборы с емкостью ниже 80% успешно эксплуатируются, хотя длительность их работы значительно уменьшается. Ниже приведены рекомендации, позволяющие существенно продлить жизненный цикл Li-ion батареи и избежать дополнительных расходов на преждевременное приобретение новой АКБ.

Способы расширения ресурса литий-ионных батарей

1. Чтобы продлить срок годности литиевых аккумуляторов, нужно: Не допускать их полного разряда – при неоднократном глубоком разряде высокими токами химические источники тока (ХИТ ) ускоренно теряют способность запасать требуемый объем энергии, иначе Вам понадобится восстановление работоспособности аккумулятора. Современные АКБ всегда оснащаются специальными схемами, контролирующими разрядный процесс – BMS или PCB. При выходе значения тока за допустимые границы электроника отключает накопитель. Если же батарея полностью разрядилась, нужно зарядить ее, как минимум, на 40%.
2. Избегать чрезмерного заряда и не оставлять подключенным к зарядному устройству на долгое время после того как процесс зарядки осуществлен.
3. Использовать подходящее зарядное устройство даже при незначительном превышении рекомендуемого напряжения заряда срок службы Li-ion аккумуляторов сокращается. К тому же, для АКБ предпочтителен режим медленной зарядки и разрядки. Использование в интенсивном режиме сокращает рабочий ресурс накопителей. Поэтому лучшими считаются зарядные устройства с фиксацией напряжения. Также можно использовать ЗУ, отсекающие минимальный ток заряда.
4. Соблюдать рекомендованный температурный режим работы устройств – от -20 до +50 °С, в идеале около +20 °С. Избегать перегрева и переохлаждения.
5. Заряжать накопители при температуре от +5 до +20 °C.
6. Хранить их заряженными на 40–50% при температуре от 0 до +10 °С. Если оставить прибор храниться в почти разряженном состоянии, из-за вероятного саморазряда его емкость может снизиться до критического значения, и в дальнейшем зарядить батарею уже не удастся. Длительное хранение приводит к снижению емкости устройства, поэтому покупать накопители энергии впрок нецелесообразно.

Соблюдение этих простых правил поможет избежать преждевременного старения Li-ion батареи и надолго сохранить ее в нормальном работоспособном состоянии.

Эффективные приемы по продлению жизни Li-ion аккумулятора

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов, производители электромобилей снижают рабочие пороги напряжения элементов батарей. В результате, уменьшается запасаемая емкость, но при этом значительно увеличивается ресурс. Еще один способ увеличить жизненный цикл аккумуляторной батареи – снизить нагрузку на нее путем увеличения емкости. Чем больше элементов в параллели АКБ, тем меньшая сила тока разряда приходится на каждый элемент. Третий способ – снижение управление температурой сборки элементов. Сборка АКБ в холдерах и получаемые проветриваемые полости вокруг элементов снижают тепловую нагрузку на АКБ и влияют на ресурс АКБ. Объединив данные подходы при сборке АКБ можно получить многократное увеличение ресурса (циклов заряд-разряд) АКБ при тех же равных элементах.

Также для увеличения длительности эксплуатации АКБ успешно используются программируемые платы управления BMS, или smart bms (PCB ), позволяющие с приложения под Android или ios настраивать требуемые (в нашем случае щадящие) пороги напряжения. «ВольтБайкс аккумуляторы» устанавливает программируемые платы управления аккумулятором по запросу заказчиков. Ответ на вопрос, сколько составит срок годности литий-ионного аккумулятора в конкретном случае, зависит и от характеристик самого ХИТ, и от особенностей его эксплуатации. Подробнее о правилах использования литиевых АКБ читайте здесь.

Эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

Тесты на количество циклов проводились при разрядке током 1С, для каждого аккумулятора проводились циклы разрядки/зарядки до достижения 80% емкости. Такое число было выбрано исходя из сроков тесто и для возможного сравнения результатов впоследствии. Число полных эквивалентных циклов — до 7500 в некоторых тестах.
Тесты на срок службы проводились при различных уровнях заряда и температуре, каждые 40-50 дней проводились измерения напряжения для контроля разряда, длительность тестов составляла 400-500 дней.

Главной сложностью в экспериментах являются расхождения в заявленной емкости и реальной. Все аккумуляторы имеют емкость выше, чем заявленная, от 0,1% до 5%, что вносит дополнительный элемент непредсказуемости.

Наиболее часто использовались аккумуляторы NCA и NMC, но также тестировались литий-кобальт и литий-фосфатные аккумуляторы.

Немного терминов:
DoD — Depth of Discharge — глубина разряда.
SoC — State of Charge — уровень заряда.

Использование аккумуляторов

Количество циклов

На данный момент есть теория, что зависимость количества циклов, которые может выдержать аккумулятор от степени разряда аккумулятора в цикле имеет следующий вид (синим обозначены циклы разрядки, черным — эквивалентные полные циклы):

Данная кривая носит названия кривой Вёлера (Wöhler). Основная идея пришла из механики о зависимости числа растяжений пружины от степени растяжения. Начальное значение в 3000 циклов при 100% разряде батарей является средневзвешенным числом при разряде в 0,1С. Какие-то аккумуляторы показывают лучшие результаты, какие-то хуже. При токе 1С число полных циклов при 100% разряде падает с 3000 до 1000-1500 в зависимости от производителя.

В целом, данное соотношение, представленное на графиках, получило подтверждение по результатам экспериментов, потому целесообразным является зарядка аккумулятора при любой возможности.

Расчет суперпозиции циклов

При эксплуатации аккумуляторов возможна работа при одновременном наличии двух циклов (например, рекуперативное торможение в автомобиле):

Получается следующий комбинированный цикл:

Возникает вопрос, как это сказывается на эксплуатации аккумулятора, сильно ли уменьшается ресурс аккумулятора?

По результатам экспериментов комбинированный цикл показал результаты, как от сложения полных эквивалентных циклов двух независимых циклов. Т.е. относительная емкость аккумулятора в комбинированном цикле падала соответственно сумме разрядов на малом и большом циклах (линеаризованный график представлен ниже).

Влияние больших циклов разрядки более существенно, а значит подтверждается то, что аккумулятор лучше заряжать при каждой возможности.

Эффект памяти

Эффект памяти литий-ионных аккумуляторов по результатам экспериментов отмечен не был. При различных режимах его полная емкость все равно впоследствии не изменялась. В то же время есть ряд работ, которые подтверждают наличие данного эффекта в литий-фосфатных и литий-титановых аккумуляторах.

Хранение аккумуляторов

Температуры хранения

Тут никаких необычных открытий не было сделано. Температуры 20-25°C являются оптимальными (в обычной жизни) для хранения аккумулятора, если его не использовать. При хранении аккумулятора при температуре в 50°C деградация емкость идет практически в 6 раз быстрее.
Естественно более низкие температуры лучше для хранения, но в быту это означает специальное охлаждение. Так как температура воздуха в квартире, как правило, 20-25°C, то и хранение скорее всего будет при такой температуре.

Уровень заряда

Как показали испытания, чем меньше заряд тем медленнее идет саморазряд аккумулятора. Измерялась емкость аккумулятора, какой бы она была при его дальнейшем использовании после длительного хранения. Наилучший результат показали аккумуляторы, которые хранились с зарядом близким к нулю.
В целом хорошие результаты показали аккумуляторы, которые хранились не более чем с 60% уровнем заряда на момент начала хранения. Цифры отличаются от приведенных ниже для 100% заряда в худшую сторону (т.е. аккумулятор придет в негодность ранее, чем указано на рисунке):

Рисунок взят из статьи 5 практических советов по эксплуатации литий-ионных аккумуляторов
В то же время цифры для малого заряда более оптимистичны (94% после года при температуре 40°C для хранения при SOC 40%).
Так как 10% заряд непрактичен, так как время работы при таком уровне весьма маленькое, хранить аккумуляторы оптимально при SOC 60%, что позволит применить его в любой момент и не скажется критично на сроке его службы.

Основные проблемы результатов экспериментов

Никто не проводил тесты, которые можно считать на 100% достоверными. Выборка, как правило, не превышает пары тысяч аккумуляторов из миллионов произведенных. Большинство исследователей не могут представить достоверные сравнительные анализы по причинам недостаточной выборки. Также результаты этих экспериментов зачастую являются конфиденциальной информацией. Так что данные рекомендации не обязательно подходят к вашему аккумулятору, но могут считаться оптимальными.

Итоги экспериментов

Оптимальная частота зарядки — при каждой возможности.
Оптимальные условия хранения — 20-25°C при 60% заряде аккумулятора.

Срок службы литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторы отличаются надежностью и безопасностью эксплуатации. К тому же они обладают большой емкостью и невысокой стоимостью. В сравнении с другими типами АКБ они считаются более модернизированными, так как имеют ряд дополнительных функций, например, звуковой сигнал при определенном уровне разряда. Как и любая батарея, литий-ионная требует особых условий эксплуатации и бережного обращения.

Срок службы литий-ионного акумулятора зависит от условий его эксплуатации и хранения.

От чего зависит срок службы

В первую очередь износоустойчивость литий-ионного АКБ зависит от его качества. Если в процессе производства были задействованы надежные компоненты и не нарушена технология, то изначальный ресурс батареи будет достаточно высоким. В зависимости от качества исполнения также допускаются отклонения, влияющие на срок эксплуатации, например, условия влажности.

Как другие типы батарей, литий-ионные имеют общие требования, от которых зависит жизненный цикл АКБ. К ним относятся:

• соблюдение режима токовой нагрузки;
• использование в оптимальных температурных условиях;
• отсутствие глубокого падения емкости и перезаряда;
• правильное хранение во время простоя.

При использовании оригинального зарядного устройства заботиться о токовой нагрузке и перезаряде не приходится – данные условия поддерживаются автоматически. Встроенный в ЗУ контроллер BMS обеспечивает защиту аккумулятора, балансирует ячейки и оптимизирует параметры в процессе восполнения емкости.

Основным моментом, от которого зависит срок эксплуатации литий-ионных АКБ, является правильное хранение батареи. При этом важно не допускать полного разряда или перезаряда. Первый случай возможен только при дальнейшем циклическом использовании аккумулятора. Полный заряд батареи также не желателен, особенно при длительном хранении. Некоторые пользователи считают, что так АКБ дольше прослужит и не будет подвержен саморазряду. Однако изначальная емкость батареи при этом снизится. После простоя литий-ионный АКБ будет иметь сниженные характеристики.

Разрядные характеристики АКБ.

Срок службы литий-ионного аккумулятора

Количество циклов заряда/разряда для разных АКБ.

Период эксплуатации литий-ионной батареи определен числом циклов полного заряда. Стандартный показатель большинства таких АКБ установлен в диапазоне от 2500 до 3000. При этом количество циклов и срок службы li-ion аккумулятора можно увеличить, если при хранении его периодически подзаряжать. Эта особенность связана с тем, что степень саморазряда литий-ионных батарей составляет 3-5% в месяц. У свинцово-кислотных моделей данный показатель составляет 10-15%. При правильном хранении li-ion устройства сохранят большую часть изначального ресурса даже через несколько лет.

Как продлить срок службы

Зарядка

На срок службы литиевого аккумулятора сильно влияют условия зарядки. Не следует допускать полного разряда АКБ, так как li-ion устройства не имеют эффекта памяти. Их необходимо заряжать до того, как уровень емкости снизится до 5-10%. Чтобы продлить срок службы литий-ионной батареи, подключайте оригинальное ЗУ на отметке в 10-20% заряда. Соблюдение этого условия поможет увеличить количество циклов перезаряда на 1000-1100.

Эксплуатация

В процессе эксплуатации литий-ионных АКБ необходимо соблюдать температурные условия: не ниже -20 и не выше 30 градусов по Цельсию. В ином случае, при использовании li-ion батареи, высок риск выхода устройства из строя. Например, при высокой температуре аккумулятор может вздуться. При этом низкие температуры не так губительны для АКБ, так как могут привести лишь к быстрой разрядке. Поэтому для правильной работы батареи нужны комфортные комнатные условия.

Следует исключить перегрев литий-ионных АКБ. Лишнее тепло способно навредить аккумулятору сильнее всего. Причиной перегрева могут служить как стрессовые условия заряда и разряда, так и внешние источники.

Не следует оставлять li-ion батарею на солнце или внутри салона автомобиля во время жары, особенно на лицевой панели. Перегретый аккумулятор не только потеряет часть ресурса, но и будет быстрее разряжаться в процессе эксплуатации. Оптимальная температура для корпуса батареи – 20 градусов по Цельсию.

Хранение

Изменения емкости АКБ при хранении в течение 1 года.

От правильного хранения литий-ионной батареи зависят ее характеристики после простоя. Недостаточно вынуть аккумулятор и положить его на полку. При хранении в условиях полного или нулевого заряда ресурс АКБ будет снижаться. Поэтому необходимо следить за показателем, не допуская уровня ниже 40%. Также перед хранением следует упаковать батарею в этикетку и положить ее в холодильник. Соблюдение данных условий поможет сохранить изначальную емкость li-ion аккумулятора в течение долгого времени.

Li-ion источникам питания находят применение в бытовой технике, а также в качестве батареи для электромобилей. Срок службы литий-ионных аккумуляторов зависит от температурных условий, степени заряда и правильной эксплуатации. Не менее важно и использование оригинального ЗУ. Благодаря ему в батарее соблюдаются токовые нагрузки и не допускается перезаряд.

Срок службы литий ионного аккумулятора

Срок службы литиевого аккумулятора, который в настоящий момент значительно увеличен, одна из причин, почему элементы сразу покорили рынок. Li-ion имеют долгую историю, если её сравнивать со скоростью развития электроники.

Каков срок службы литий-ионных аккумуляторов и как его увеличить

Срок службы литий-ионных аккумуляторов создатели новых технологий продлили до 10 лет. Благодаря легкости обслуживания, компактности, пониженному саморазряду, уровню энергоемкости накопитель широко используют в электронных устройствах. Без мобильных телефонов, смартфонов ноутбуков невозможно представить жизнь, для которых Li-ion являются источниками питания. Любой элемент имеет эксплуатационный срок, положительные и отрицательные свойства. Эта батарейка тоже наделена рядом факторов. Владельцы следят за ними, продлевают работоспособность правильным содержанием.

Срок службы литий ионного аккумулятора, что представляет собой Li-ion

Li-ion находится в воздухонепроницаемом корпусе, содержимое состоит из 2 электродов – положительного катода и отрицательного катода. Их разделяет пористый сепаратор, пропитанный электролитом из литиевой соли, который служит накопителем электроэнергии.

• предотвращает соединение плюса с минусом;
• исключает возможность для короткого замыкания;
• обеспечивает высокую ионную проводимость.

Появление электрического тока осуществляет ионный поток, они перемещаются из анода в катод.

Батареи выпускают разными по электрическим характеристикам, габаритам и размерам. Единого ГОСТа для них не существует.

Факторы воздействия

Когда ресурс батареи полностью вырабатывается, объем емкости снижается до положения равного техническим параметрам, элемент меняют. Уровень емкости источника энергии, установленный производителем при практическом использовании может уменьшаться или увеличиваться. Отклонения и служба зависят от правильного:

• хранения;
• ухода;
• температурных условий;
• зарядного режима;
• глубины разряда.

Что влияет на срок службы литий-ионных батарей?

Если батарея не держит заряд, нужно выяснить отчего элемент вышел из строя. Владелец должен следить за его режимом нагрева. Эксплуатация по инструкции продлит жизнь накопителя. Температура враг устройства, которая повышается от неправильного хранения, скорости и продолжительности зарядно-разрядных операций. Окружающая среда тоже действует на литий, аппарат с блоком питания нельзя забывать на солнечных площадках, внутри жаркого автомобиля.

Характерные особенности тепловых воздействий:

• идеальные условия для работы при комнатной температуре – +20 град.;
• при нагревании устройства +30 град. сохранение заряда уменьшается на 20%;
• использование прибора с батареей при + 45 град. снижение емкости происходит до 50%.

Чтобы исключить перегрев, ноутбук избавляют от лишних приложений, переходят в прохладное помещение. На холоде эксплуатация не вызывает проблем, если он не доходит до минусовых температур. Восстановить литиевый источник питания смартфона сможет карман, компьютера — любое теплое место.

Не стоит допускать глубокий разряд элемента. Производитель предусмотрел соблюдение циклов для 100 % уровня зарядки. В телефоне видно, когда загорается красная черта. Владельцу нужно следить и не допускать полного отключения питания.

Условия для сохранности

Существуют несколько простых правил, соблюдение которых способны увеличивать работоспособность Li-ion:

• батарея и устройство должны быть от оригинального производителя;
• полная зарядка выполняется сразу после покупки, изготовитель наполовину заряжает аккумулятор, чтобы не было потерь при транспортировке;
• работают с прибором в ограниченном температурном режиме, не повышая + 30 град., не опускаясь до – 20 град. нельзя его переохлаждать или перегревать.
• не допускают полной разрядки, используют устройство при 10% — 90% заполненного объема емкости;
• если предстоит надолго оставить батарею, её заряжают на 50%.

От хранения тоже зависит продолжительность службы. Просто так вынуть и положить на полку элемент нельзя, емкость будет сжиматься от длительных простоев. Только после показателя не ниже 40% зарядки, устройство плотно упаковывают и помещают в холодное место.

Порядок для зарядки

В Li-ion комбинированный зарядка, она состоит из 2 циклов. Вначале идет непрерывно электрический ток до определенного значения в течение 40 мин., затем также поступает напряжение до 1.5 часов. В импульсном режиме накопитель заряжается быстрее.

Во время использования соблюдают ряд ограничительных условий:

• емкость аккумулятора в 2 раза меньше разрядного тока — при значении равном 2100 мАЧ, допускается ток в 4200 мА;
• нельзя отметку опускать ниже 2.3 вольт;
• перезаряд не должен быть больше напряжения 4.4 В.

Каких ошибок нужно избежать?

Поврежденный внутренний сепаратор приведет к негативным последствиям:

• короткому замыканию;
• возгоранию.

Убережет Li-ion батарею от пожара исключение при эксплуатации недопустимых ошибок:

• сгиб и деформацию корпуса;
• перегрев устройства;
• игнорирование порядка в зарядке и разрядке;
• превышение допустимого напряжения, подачу электротока.

Чего нельзя делать:

• долго батарее оставаться разряженной через время саморазряд напряжения снизится до критического, и защита отключит, ЗУ не выведет из такого состояния;
• пытаться разобрать и ремонтировать неисправное устройство.

Для вмешательства в сложную схему необходима специальная аппаратура.

Li-ion имеют долгую историю, если её сравнивать со скоростью развития электроники. Существует много причин, почему элементы сразу не покорили рынок, самая важная — это срок службы литиевых аккумуляторов, который в настоящий момент значительно увеличен.