Come prolungare alle le batterie basate a litio

Scopra che cosa induce lo Li-ione ad invecchiare e che cosa l'utente della batteria può fare per prolungare la sua vita.

La ricerca della batteria sta mettendo a fuoco sulle chimiche del litio così tanto che si potrebbe immaginare che il futuro della batteria si trovi solamente in litio. Ci sono buoni motivi essere per quanto lo litio-ione sia ottimista, in molti modi, superiori ad altre chimiche. Le applicazioni stanno sviluppando e stanno invadendo nei mercati che precedentemente solidamente sono stati tenuti da acido al piombo, come livellamento di carico e del appoggio. Molti satelliti inoltre sono alimentati dallo Li-ione.

lo Litio-ione ancora completamente non ha maturato ed ancora sta migliorando. Gli avanzamenti notevoli sono stati fatti nella longevità e nella sicurezza mentre la capacità sta aumentando incrementalmente. Oggi, lo Li-ione incontra le aspettative della maggior parte dei dispositivi ma delle domande del consumatore di sviluppo di bisogno di EV ulteriore prima che questa alimentazione si trasformi nella norma accettata.

Che cosa induce lo Litio-ione ad invecchiare?

L'Accumulatore litio-ione lavora al movimento dello ione fra gli elettrodi positivi e negativi. Nella teoria un tal meccanismo dovrebbe lavorare per sempre, ma ciclare, la temperatura elevata e diminuzione invecchiante la prestazione col passare del tempo. I produttori adottano un approccio conservatore e specificano la durata dello Li-ione nella maggior parte dei generi di consumo come essendo fra 300 e 500 scarichi/cicli di carica.

La durata di vita della batteria di valutazione sul conteggio dei cicli non è conclusiva perché uno scarico può variare approfondito e non ci sono norme ben definite di che cosa costituisce un ciclo. Invece del conteggio di ciclo, alcuni produttori del dispositivo suggeriscono la sostituzione della batteria su un timbro data, ma questo metodo non prende l'uso in considerazione. Una batteria può guastarsi nei limiti del tempo assegnato dovuto uso pesante o le condizioni termiche sfavorevoli; tuttavia, la maggior parte dei pacchetti durano considerevolmente più lungamente di che cosa il bollo indica.

La prestazione di una batteria è misurata nella capacità, un indicatore principale di salute. La resistenza interna e l'autoscarica inoltre svolgono i ruoli, ma queste sono meno significative nella predizione della conclusione di durata di vita della batteria con lo Li-ione moderno.

Figura 1 illustra la goccia della capacità di 11 batteria del Li-polimero che sono state ciclate ad un laboratorio di Cadex. Le cellule del sacchetto 1,500mAh per i telefoni cellulari in primo luogo sono state caricate ad una corrente di 1,500mA (1C) a 4.20V/cell e poi sono state permesse saturare a 0.05C (75mA) come componente della saturazione tutto spesata. Le batterie poi sono state scaricate a 1,500mA a 3.0V/cell ed il ciclo è stato ripetuto. La perdita prevista della capacità di batterie dello Li-ione era uniforme sopra i 250 cicli consegnati e le batterie hanno eseguito come previsto.

Il nuovo Li-ione undici è stato provato su un analizzatore della batteria di Cadex C7400. Tutti i pacchetti hanno cominciato ad una capacità di 88-94% e sono diminuito a 73-84% dopo 250 cicli completi di scarico. I pacchetti del sacchetto 1500mAh sono utilizzati nei telefoni cellulari.

Le seguenti tavole indicano le perdite della capacità riferite sforzo allo sullo litio-ione basato a cobalto. Le tensioni del fosfato del ferro del litio e del titanato del litio sono più basse e non applicano a tensione i riferimenti dati.
Sebbene una batteria dovrebbe consegnare 100 per cento della capacità durante il primo anno di servizio, è comune vedere più in basso le capacità di quanto specificate e la durata di prodotto in magazzino può contribuire a questa perdita. Inoltre, i produttori tendono a sopravvalutare le loro batterie, sapenti che molto pochi utenti faranno i controlli saltuari e protesteranno se in basso. Non dovendo abbinare gli unicellulari in telefoni cellulari e compresse, come è richiesto nei pacchetti della multi-cellula, apre le cateratte per un'accettazione molto più vasta della prestazione. Le cellule con le capacità più basse possono slittare attraverso le crepe senza sapere del consumatore.

Simile ad un dispositivo meccanico che consuma più velocemente con uso pesante, la profondità di scarico (DoD) determina il conteggio di ciclo della batteria. Più piccolo lo scarico (DoD basso), più lungamente la batteria dura. Se a tutto il possibile, eviti gli scarichi completi e carichi la batteria più spesso fra gli usi. Lo scarico parziale sullo Li-ione è benissimo. Non c'è memoria e la batteria non ha bisogno dei cicli completi periodici di scarico di prolungare la vita. L'eccezione può essere una calibratura periodica del calibro di combustibile su una batteria astuta o su un dispositivo intelligente.

Le stime della tabella 2 il numero dello Li-ione cicli di carica/di scarico possono consegnare ai vari livelli di DoD prima dei cali della capacità della batteria a 70 per cento. Il DoD costituisce un tutto spesato seguito da uno scarico al livello indicato di (SoC) della stato-de-tassa nella tavola.

lo Litio-ione soffre dallo sforzo una volta esposto al calore, così fa la conservazione della cellula ad un'alta carica di tensione. Un'abitazione della batteria sopra 30°C (86°F) è considerato la temperatura elevata e per la maggior parte del Li-ione una tensione sopra 4.10V/cell è ritenuta come alta tensione. Esponendo la batteria alla temperatura elevata ed abitare in una stato-de-tassa completa per un tempo esteso possono essere più stressanti del ciclando. La tabella 3 dimostra la perdita della capacità in funzione della temperatura e della Soc.

La maggior parte dei Li-ioni fanno pagare a 4.20V/cell ed ogni riduzione in carica di tensione di punta di 0.10V/cell è detta per raddoppiare la vita di ciclo. Per esempio, una cellula dello litio-ione fatta pagare a 4.20V/cell consegna tipicamente 300-500 cicli. Se fatto pagare soltanto a 4.10V/cell, la vita può essere prolungata a 600-1,000 cicli; 4.0V/cell dovrebbe consegnare 1,200-2,000 e 3.90V/cell dovrebbe fornire 2,400-4,000 cicli.

Dal lato negativo, una carica di tensione di punta più bassa riduce la capacità che la batteria memorizza. Come linea guida semplice, ogni tensione in carica di riduzione 70mV abbassa la capacità globale da 10 per cento. L'applicazione della carica di tensione di punta su una tassa successiva ristabilirà la piena capacità.

In termini di longevità, la carica di tensione ottimale è 3.92V/cell. Gli esperti nella batteria credono che questa soglia elimini tutti gli sforzi in relazione con la tensione; passare a BASSO non può trarre ulteriori benefici ma indurre altri sintomi. La tabella 4 riassume la capacità in funzione dei livelli della tassa. (Tutti i valori sono stimati; Le cellule di energia con le più alte soglie di tensione possono deviare.)

Esperimento: L'università tecnologica di Chalmers, Svezia, riferisce che usando un livello del costo ridotto di 50% SOC aumenta l'aspettativa di vita della batteria dello Li-ione del veicolo di 44-130%.

La maggior parte dei caricatori per i telefoni cellulari, i computer portatili, le compresse e le macchine fotografiche digitali fanno pagare lo Li-ione a 4.20V/cell. Ciò permette la capacità massima, perché il consumatore non vuole niente tempo di esecuzione meno ottimale. L'industria, d'altra parte, di più è interessata circa la longevità e può scegliere le soglie a voltaggio inferiore. I satelliti ed i veicoli elettrici sono tali esempi.

Per motivi di sicurezza, molti litio-ioni non possono superare 4.20V/cell. (Alcuni NMC sono l'eccezione.) Mentre un'più alta tensione amplifica la capacità, superare la tensione accorcia il tempo di impiego e compromette la sicurezza. Figura 5 dimostra il conteggio di ciclo in funzione di carica di tensione. A 4.35V, il conteggio di ciclo di uno Li-ione regolare è tagliato a metà.

Oltre a selezionare le soglie più adatte di tensione per un'applicazione data, uno Li-ione regolare non dovrebbe rimanere al soffitto ad alta tensione di 4.20V/cell per un tempo esteso. Il caricatore dello Li-ione spegne la corrente di carica e la tensione della batteria ritorna ad un livello più naturale. Ciò è come il rilassamento dei muscoli dopo un esercizio gravoso.

Figura 6 illustra la perdita di riflessione dinamica della capacità di (DST) delle prove di sforzo quando cicla lo Li-ione alle varie larghezze di banda di scarico e della tassa. La perdita della più grande capacità accade quando scarica uno Li-ione completamente fatto pagare a 25 per cento il SoC (il nero); la perdita sarebbe più alta se completamente scaricata. Ciclando fra 85 e 25 per cento (verde) fornisce un tempo di impiego più lungo che facendo pagare a 100 per cento e scaricando a 50 per cento (blu scuro). La più piccola perdita della capacità è raggiunta facendo pagare lo Li-ione a 75 per cento e scaricando a 65 per cento. Ciò, tuttavia, completamente non utilizza la batteria. Le alte tensioni e l'esposizione alla temperatura elevata è detta per degradare la batteria più rapidamente del ciclando nella circostanza normale.

^{Cortesia: ResearchGate – modellistica della degradazione dell'Accumulatore litio-ione per la valutazione di vita delle cellule.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Le discrepanze esistono fra la tabella 2 e figura 6 sul conteggio di ciclo. Non ci sono chiare spiegazioni disponibili all'infuori delle differenze presupponenti nella qualità e nei metodi di prova della batteria. Le varianze fra il consumatore a basso costo ed i gradi industriali durevoli possono anche svolgere un ruolo. La conservazione della capacità diminuirà più rapidamente alle temperature elevate che a 20ºC.

Soltanto un ciclo completo fornisce l'energia specificata di una batteria. Con una cellula moderna di energia, questo è 250Wh/kg, ma la vita di ciclo sarà compromessa. Tutto che è lineare, la media scadenza di prolungamento di 85-25 per cento riduce l'energia a 60 per cento e questo uguaglia a moderare la densità di energia specifica da 250Wh/kg a 150Wh/kg. I telefoni cellulari sono beni di consumo che utilizzano l'energia completa di una batteria. I dispositivi industriali, quale il EV, limitano tipicamente la tassa a 85% e scaricano a 25% per prolungare la durata di vita della batteria.

Figura 7 estrapola i dati da figura 6 per ampliare la durata di ciclo preveduta dello Li-ione usando un programma dell'estrapolazione che presuppone il decadimento lineare della capacità della batteria con il riciclaggio progressivo. Se questo fosse vero, quindi una batteria dello Li-ione ciclata all'interno di 75%-25% SoC (blu) si sbiadirebbe alla capacità di 74% dopo 14.000 cicli. Se questa batteria fosse caricata a 85% con lo stesso profondità-de-scarico (verde), la capacità cadrebbe a 64% a 14.000 cicli e con una tassa di 100% con lo stesso DoD (il nero), la capacità cadrebbe a 48%. Per le ragioni sconosciute, l'aspettativa in vivo tende ad essere più bassa di nella modellistica simulata.

le batterie dello Li-ione sono caricate a tre livelli differenti del SoC ed alla vita di ciclo modellistica. La limitazione della gamma della tassa prolunga l'energia di diminuzioni ma di durata di vita della batteria consegnata. Ciò riflette nel peso aumentato e nell'più alto costo iniziale.
^{Con permesso usare. Interpolazione/estrapolazione da OriginLab.}

^{I produttori della batteria specificano spesso la durata di ciclo di una batteria con i 80 DoD. Ciò è pratica perché le batterie dovrebbero conservare una certa riserva prima della tassa nell'ambito di uso normale. (Vedi BU-501: Basi circa lo scarico,«che cosacostituisceunciclodiscarico") cheilconteggiodiciclosuDST(provadisforzodinamica)differisceconiltipodellabatteria, iltempodellatassa, ilprotocollodicaricoelatemperatura di funzionamento. Leprove di laboratorioottengonospessoinumerichenon sonoraggiungibilinelcampo.}

Che cosa può l'utente fare?

Le condizioni ambientali, non ciclanti da solo, governano la longevità degli Accumulatori liti-ione. La situazione peggiore sta tenendo una batteria completamente caricata alle temperature elevate. I pacchetti della batteria non muoiono improvvisamente, ma il tempo di esecuzione accorcia gradualmente mentre la capacità si sbiadisce.

Le tensioni più a tassi agevolati prolungano la durata di vita della batteria ed i veicoli elettrici ed i satelliti approfittano di questo. Le simili disposizioni potrebbero anche essere adottate per i dispositivi del consumatore, ma questi sono offerti raramente; l'obsolescenza prevista prende la cura di questa.

Una batteria del computer portatile ha potuto essere prolungata abbassando la carica di tensione una volta collegata alla griglia di CA. Per rendere questa caratteristica facile da usare, un dispositivo dovrebbe caratterizzare un modo «di lunga vita» che tiene la batteria a 4.05V/cell ed offre un SoC di circa 80 per cento. Un'ora prima del viaggio, le richieste dell'utente il modo «di piena capacità» di portare la tassa a 4.20V/cell.

La domanda è fatta, «dovrei stacco il mio computer portatile dalla griglia di potere quando non in uso?» In circostanze normali questo non dovrebbe essere necessario perché caricarsi si ferma quando la batteria dello Li-ione è piena. Una tassa della guarnizione è soltanto applicata quando le cadute di tensione della batteria ad un determinato livello. La maggior parte dei utenti non rimuovono la corrente alternata E questa pratica è sicura.

I computer portatili moderni eseguono il dispositivo di raffreddamento che i più vecchi modelli ed i fuochi riferiti sono meno. Sempre tenga il flusso d'aria sgombro quando eseguono i dispositivi elettrici con il raffreddamento a aria su un letto o su un cuscino. Un computer portatile fresco prolunga la durata di vita della batteria e salvaguarda le componenti interne. Cellule di energia, che la maggior parte dei generi di consumo hanno, dovrebbero essere caricati a 1C o di meno. Eviti i cosiddetti caricatori ultraveloci che sostengono completamente caricare lo Li-ione in meno di un'ora.