Jak dlouho vydrží lithiové baterie?

Lithiová baterie: "životnost", o které jsme si mysleli, že ji známe

S rychlým rozvojem vědy a techniky, lithiové baterie jsou hluboce integrovány do všech aspektů našeho života, od mobilních telefonů a notebooků používaných v každodenním životě až po elektromobily, na které se spoléháme při cestování. O životnosti lithiových baterií však panuje mnoho nedorozumění, mezi nimiž je rozšířeno rčení, že "lithiové baterie mají životnost 500 nabití a vybití". Mnoho lidí se domnívá, že lithiové baterie lze nabít a vybít pouze 500krát. Po dosažení tohoto počtu baterie umírá a musí být vyměněna. Na základě tohoto poznatku někteří uživatelé před nabíjením čekají, až se baterie téměř vybije, aby prodloužili dobu používání lithiových baterií.

Toto tvrzení je však ve skutečnosti nesprávné. Takzvaných "500 nabití a vybití" neznamená pouze počet nabití, ale kompletní cyklus nabití a vybití. Nabíjecí a vybíjecí cyklus znamená, že se veškerá energie baterie spotřebuje z plného stavu na prázdný a poté se nabije z prázdného stavu na plný, což není ekvivalentní jednorázovému nabití. Například první den se vyčerpá polovina energie baterie a poté se plně nabije; druhý den se vyčerpá polovina energie a opět se plně nabije. Tímto způsobem se obě nabíjení dohromady považují za cyklus nabíjení a vybíjení. V reálném provozu proto může být k dokončení úplného nabíjecího a vybíjecího cyklu zapotřebí více nabití. Kromě toho po dokončení 500 nabíjecích a vybíjecích cyklů. lithiová baterie není zcela nepoužitelný, ale jeho kapacita se sníží. Obecně lze říci, že vysoce kvalitní baterie si mohou i po několika nabíjecích cyklech zachovat 80% původní kapacitu a mnoho výrobků s lithiovým napájením lze normálně používat i po dvou nebo třech letech.

Je zřejmé, že naše dosavadní představy o životnosti lithiových baterií byly příliš jednoduché a jednostranné. Toto nesprávné chápání má vliv nejen na naše každodenní návyky při používání zařízení s lithiovými bateriemi, ale také způsobuje, že se odchylujeme od skutečného výkonu lithiových baterií. Jak tedy správně měřit životnost lithiových baterií? Jaké faktory ji ovlivní? Dále se ponořme do tajemství životnosti lithiových baterií.

Jaká je "životnost" lithiových baterií

Než se budeme zabývat životností lithiových baterií, musíme si ujasnit jednu klíčovou otázku: Co je to "životnost" lithiových baterií? Neměří se jednoduše časem jako lidský život. Ve světě lithiových baterií má jejich životnost jedinečný rozměr měření.

Životnost cyklu: Zohlednění počtu nabíjecích a vybíjecích cyklů.

Životnost cyklu je jedním z důležitých ukazatelů pro měření životnosti lithiových baterií. Označuje počet nabíjecích a vybíjecích cyklů, které lithiová baterie vydrží, než se její kapacita sníží na určitou stanovenou hodnotu při určitém systému nabíjení a vybíjení. Zjednodušeně řečeno, kompletní proces od úplného nabití do úplného vybití a poté opětovného úplného nabití se počítá jako jeden cyklus. Poté, co lithiová baterie projde několika takovými cykly, její kapacita postupně klesá. Když kapacita klesne na 80% původní kapacity, obvykle se má za to, že dosáhla konce své životnosti.

Různé typy lithiových baterií mají různou životnost. Například běžná ternární lithiová baterie má teoretický počet cyklů přibližně 800-1200, zatímco počet cyklů lithium-železo-fosfátových baterií je poměrně vysoký a dosahuje přibližně 2000-2500 cyklů. Například u ternární lithiové baterie 18650, kterou používá společnost Tesla v některých svých modelech, klesne v laboratorních podmínkách po přibližně 1000 cyklech kapacita baterie na 80% původní kapacity. Podle oficiálních údajů může mít lithium-železo-fosfátová baterie používaná společností BYD v některých modelech při běžném používání životnost více než 2000 cyklů, což znamená, že za ideálních podmínek se její kapacita po více cyklech nabíjení a vybíjení sníží na 80%.

Život v kalendáři: zohlednění časového rozměru

Kromě životnosti cyklu je klíčovým faktorem při měření životnosti lithiových baterií také kalendářní životnost. Odkazuje na období od data výroby do konce životnosti baterie, obvykle měřené v letech, zahrnující různé vazby, jako je skladování, stárnutí, vysoká a nízká teplota, cirkulace a simulace pracovních podmínek. I když je lithiová baterie v nečinnosti a není často nabíjena a vybíjena, chemické látky v ní časem podléhají pomalým chemickým reakcím, což způsobuje postupný pokles výkonu baterie. Jedná se o kalendářní životnost při práci.

Obecně platí, že kalendářní životnost lithiových baterií používaných v automobilech je 5-10 let. Vezmeme-li jako příklad určitý elektromobil, i když majitel najede každý rok méně kilometrů a vozidlo je většinu času zaparkované, může se kapacita baterie po 6-7 letech používání snížit na přibližně 70%. Je to podobné jako s trvanlivostí potravin. I když je neotevřená, její kvalita se po určité době zhorší. Mnoho automobilových společností má tendenci ve své reklamě zdůrazňovat životnost cyklu baterie, ale vyhrazují si kalendářní životnost. Je to proto, že oznámení kalendářní životnosti může mít určitý vliv na prodej nových energetických vozidel. Ze záruční doby akumulátoru však můžeme přesto zhruba odvodit jeho kalendářní životnost. Například záruční závazek 5 let nebo více než 100 000 kilometrů, který poskytují některé automobilky, naznačuje, že baterie si v tomto časovém rozmezí může udržet relativně stabilní výkon.

Zveřejnění skutečných údajů o životnosti lithiových baterií

Srovnání počtu cyklů různých typů lithiových baterií

Rodina lithiových baterií je obrovská a různé typy lithiových baterií se zjevně liší počtem cyklů. Abychom tento rozdíl ukázali intuitivněji, použijeme pro srovnání tabulku:

Jak je patrné z tabulky, lithium-železo-titanátová baterie a lithium-železo-fosfátová baterie mají lepší výsledky, pokud jde o počet cyklů, z nichž počet cyklů lithium-železo-titanátové baterie může dosáhnout více než 10000, což ji činí velmi výhodnou v některých oblastech s extrémně vysokými požadavky na životnost baterií, jako je skladování energie v inteligentních sítích, železniční doprava atd. Počet cyklů lithium-železo-fosfátové baterie může také dosáhnout 2000 až 10000krát, což se široce používá v elektrických vozidlech, elektrárnách pro skladování energie a dalších scénářích. Počet cyklů lithium-kobalt-oxidových baterií a lithium-mangan-oxidových baterií je relativně malý. Lithium-kobalt-oxidové baterie mají obvykle pouze 300-500 cyklů, což do jisté míry omezuje rozsah jejich použití. V současné době se používají hlavně v některých malých elektronických zařízeních s přísnými požadavky na objem a hmotnost baterie a relativně nízkými požadavky na životnost cyklu.

Životnost při skutečném používání

Teoretický počet cyklů je jistě důležitý, ale životnost lithiové baterie při skutečném používání je to, co nás zajímá více. Při skutečném používání je životnost lithiových baterií ovlivněna kombinací různých faktorů a často dochází k určitému rozdílu oproti teoretickému počtu cyklů.

Vezmeme-li jako příklad určitou značku elektromobilů, může počet cyklů ternární lithiové baterie, kterou nese, dosáhnout v laboratorním prostředí podle standardního zkušebního procesu nabíjení a vybíjení přibližně 1500krát. Při skutečném používání, kdy vozidlo jezdí převážně po městských komunikacích, často se rozjíždí a zastavuje a často využívá funkci rychlého nabíjení, však kapacita baterie po přibližně 800-1000 cyklech nabíjení a vybíjení klesne na 80% původní kapacity. Je to proto, že časté rozjíždění a zastavování způsobí, že se hloubka vybití akumulátoru neustále mění, a vysoké teplo vznikající při rychlém nabíjení urychluje chemickou reakci uvnitř akumulátoru, což způsobuje stárnutí akumulátoru, a tím zkracuje jeho životnost.

Naopak, pokud vůz jezdí převážně po dálnici, jízdní podmínky jsou relativně stabilní a rychlé nabíjení se používá méně a pomalé nabíjení více, kapacita baterie se sníží na 80% po 1200-1300 cyklech nabíjení a vybíjení. Je vidět, že faktory, jako jsou jízdní návyky, způsoby nabíjení a vybíjení a okolní teplota ve scénářích skutečného používání, budou mít významný vliv na skutečnou životnost lithiových baterií.

Hloubková analýza: klíčové faktory ovlivňující životnost lithiových baterií

Počet nabíjecích a vybíjecích cyklů

S rostoucím počtem nabíjecích a vybíjecích cyklů se kapacita lithiových baterií postupně snižuje a vnitřní odpor se postupně zvyšuje. To je jeden z klíčových faktorů ovlivňujících životnost lithiových baterií. Za normálních podmínek nabíjení a vybíjení se kapacita lithiových baterií sníží přibližně o 0,1%-0,2% na každý cyklus. Když počet cyklů dosáhne určité úrovně, pokles kapacity se zrychlí, což způsobí, že baterie nebude schopna splnit požadavky na běžné používání zařízení.

Z obrázku je zřejmé, že v počáteční fázi cyklu kapacita baterie klesá pomalu a křivka je relativně plochá; s rostoucím počtem cyklů klesá kapacita baterie rychleji a sklon křivky se postupně zvyšuje. Když počet cyklů dosáhne přibližně 1 000, kapacita baterie se sníží na přibližně 80% počáteční kapacity, což znamená, že se baterie blíží ke konci své životnosti.

Významný vliv teploty

Teplota má významný vliv na životnost lithiových baterií. Ať už se jedná o prostředí s vysokou nebo nízkou teplotou, bude to mít negativní dopad na výkonnost lithiových baterií. Pokud jsou lithiové baterie používány v prostředí s vysokou teplotou (např. 45 °C a více), výrazně se zrychlí rychlost poklesu jejich kapacity a výrazně se zkrátí životnost cyklu. V podmínkách vysoké teploty se zrychluje rychlost chemických reakcí uvnitř baterie, což vede k rozpouštění materiálu kladné elektrody, rozkladu elektrolytu a nestabilitě vrstvy rozhraní (SEI), čímž se urychluje stárnutí baterie. Studie ukázaly, že při teplotě 45 °C může být životnost lithiových baterií 30% - 50% kratší než při pokojové teplotě (25 °C).

V prostředí s nízkou teplotou (např. 0 °C a nižší) se výrazně snižuje účinnost nabíjení a vybíjení lithiových baterií, zvyšuje se vnitřní odpor baterie a snižuje se její dostupná kapacita. Nízká teplota zpomalí migraci iontů lithia uvnitř baterie, což ztíží normální průběh chemické reakce baterie, a tím ovlivní výkon baterie. Při poklesu teploty na -10 °C se může dostupná kapacita lithiové baterie snížit na přibližně 70% při pokojové teplotě, což znamená, že v prostředí s nízkou teplotou se výrazně sníží výdrž zařízení s lithiovou baterií.

Rychlost nabíjení a vybíjení

Rychlé nabíjení a vybíjení má také negativní vliv na životnost lithiových baterií. Obecně se rychlost nabíjení a vybíjení lithiových baterií vyjadřuje v C a 1C znamená, že baterie je plně nabitá nebo vybitá během 1 hodiny. Pokud je rychlost nabíjení a vybíjení příliš rychlá, například při použití režimu rychlého nabíjení vyššího než 1C, vzniká uvnitř baterie velké množství tepla, které urychluje stárnutí baterie. Při nabíjení a vybíjení lithiové baterie rychlostí 2C se její životnost cyklu zkrátí o 20% - 30% ve srovnání s nabíjením a vybíjením rychlostí 0,5C. Je to proto, že rychlé nabíjení a vybíjení zesílí polarizační jev uvnitř baterie, což vede ke zvýšení vnitřního odporu baterie, a tím ovlivní výkon a životnost baterie.

Další faktory

Kromě výše uvedených hlavních faktorů ovlivňují životnost lithiových baterií také faktory, jako je kvalita samotné baterie, způsoby údržby při nabíjení a vibrace způsobené tlakem. Kvalitní lithiové baterie jsou bezpečnější z hlediska čistoty materiálu a výrobního procesu a jejich životnost je často delší než životnost baterií s nízkou kvalitou. K prodloužení životnosti lithiových baterií mohou přispět také správné metody nabíjení a údržby, jako je zamezení přebíjení a přebíjení a pravidelné hluboké nabíjení a vybíjení. Kromě toho mohou v některých speciálních scénářích použití, jako jsou nárazy při jízdě elektromobilů a kolize elektronických zařízení, tlakové vibrace způsobit poškození vnitřní struktury baterie, a tím ovlivnit její výkon a životnost.

Jak prodloužit životnost lithiových baterií: praktický průvodce založený na datech

Po pochopení klíčových faktorů, které ovlivňují životnost lithiových baterií, můžeme přijmout cílená opatření k prodloužení jejich životnosti, aby nám lithiové baterie sloužily lépe.

Kontrola počtu cyklů

Snažte se omezit zbytečné cykly nabíjení a vybíjení a vyhněte se častému vybíjení baterie před nabíjením. Nabíjet můžete, když zbývá přibližně 20% - 30%, abyste se vyhnuli hlubokému vybití. Například u uživatelů chytrých telefonů, když se na displeji zobrazí 25%, začněte nabíjet, místo abyste čekali, až se vybije a automaticky se před nabíjením vypne. Tím lze účinně snížit počet nabíjecích a vybíjecích cyklů a prodloužit tak životnost baterie. Současně zabráníte přebíjení. Když je baterie plná, je třeba nabíječku včas odpojit, aby nedošlo k poškození baterie dlouhodobým přebíjením. Dlouhodobé udržování nabití baterie v rozmezí 40% - 80% může výrazně snížit počet cyklů baterie, čímž se prodlouží její životnost a baterie si zachová dobrý výkon i po mnoha letech používání.

Udržování vhodné teploty

Při používání a skladování zařízení s lithiovými bateriemi se snažte udržovat vhodnou teplotu a vyhněte se dlouhodobému používání nebo skladování v prostředí s vysokou nebo nízkou teplotou. Pokud jej musíte používat v prostředí s vysokou teplotou, například při používání elektromobilu venku v horkém létě, měli byste se pokusit zkrátit dobu používání nebo přijmout chladicí opatření, jako je parkování vozidla na chladném místě při parkování, vyhýbání se přímému slunečnímu záření. V prostředí s nízkou teplotou, například v chladné zimě, se snažte používat zařízení s lithiovou baterií v teplém prostředí nebo baterii před použitím předehřejte. Kontrola provozní teploty lithiových baterií na úrovni kolem 25 °C může prodloužit životnost baterie o 30% - 50% cyklus.

Řízení rychlosti nabíjení a vybíjení

Snažte se nepoužívat funkci rychlého nabíjení a vybíjení, zvolte vhodné nabíjecí zařízení a způsob nabíjení a nabíjejte při nižší rychlosti nabíjení a vybíjení. U elektromobilů, pokud se nejedná o nouzovou situaci, se snažte zvolit pomalý způsob nabíjení, například použití domácí nabíjecí stanice pro noční nabíjení. Při snížení rychlosti nabíjení a vybíjení z 2C na 0,5C lze prodloužit životnost lithiových baterií o 20% - 30%. Kromě toho během nabíjení věnujte pozornost změnám teploty baterie. Pokud je teplota příliš vysoká, nabíjení by mělo být přerušeno a v nabíjení by se mělo pokračovat po poklesu teploty.

Pravidelná údržba

U některých velkých zařízení na lithiové baterie, jako jsou elektromobily a elektrárny pro ukládání energie, je pravidelná údržba velmi nutná. Můžete pravidelně kontrolovat vzhled baterie, abyste zjistili, zda nedochází k abnormálním stavům, jako je vyboulení a únik; pomocí profesionálního testovacího zařízení můžete zjistit kapacitu baterie, vnitřní odpor a další parametry, abyste rychle odhalili problémy s baterií. Současně by měl být pravidelně kontrolován a aktualizován také systém řízení baterie (BMS), aby bylo zajištěno, že může správně fungovat a účinně chránit baterii. Například uživatelská příručka určité značky elektromobilů doporučuje, že baterii je třeba každých 10 000 až 20 000 kilometrů kompletně zkontrolovat a udržovat, aby bylo možné včas odhalit a vyřešit případné problémy s baterií a prodloužit její životnost.