Hvor længe holder litiumbatterier?

Litiumbatteri: den "levetid", vi troede, vi kendte

Med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi, Lithium-batterier er blevet dybt integreret i alle aspekter af vores liv, fra mobiltelefoner og bærbare computere, der bruges i dagligdagen, til elbiler, som vi er afhængige af til rejser. Der er dog mange misforståelser om litiumbatteriers levetid, blandt andet er det meget udbredt at sige, at "litiumbatterier har en levetid på 500 opladninger og afladninger". Mange tror, at litiumbatterier kun kan oplades og aflades 500 gange. Når dette antal er nået, vil batteriet dø og skal udskiftes. Baseret på denne forståelse venter nogle brugere, indtil batteriet næsten er opbrugt, før de oplader det for at forlænge lithiumbatteriernes brugstid.

Men dette udsagn er faktisk forkert. De såkaldte "500 op- og afladninger" henviser ikke blot til antallet af opladninger, men til en komplet op- og afladningscyklus. En op- og afladningscyklus betyder, at al batteriets strøm bruges fra fuld til tom og derefter oplades fra tom til fuld, hvilket ikke svarer til at oplade én gang. Den første dag bruges f.eks. halvdelen af batteriets strøm og oplades derefter fuldt ud; den anden dag bruges halvdelen af strømmen og oplades fuldt ud igen. På den måde betragtes de to opladninger tilsammen som en opladnings- og afladningscyklus. I det virkelige liv kan det derfor tage flere opladninger at gennemføre en komplet op- og afladningscyklus. Efter 500 op- og afladningscyklusser vil batteriet desuden Litiumbatteri er ikke helt ubrugelig, men dens kapacitet vil falde. Generelt kan batterier af høj kvalitet stadig bevare 80% af deres oprindelige kapacitet efter flere opladningscyklusser, og mange litiumdrevne produkter kan stadig bruges normalt efter to eller tre år.

Det er klart, at vores tidligere forståelse af lithiumbatteriers levetid var for enkel og ensidig. Denne misforståelse påvirker ikke kun vores daglige vaner med at bruge litiumbatteriudstyr, men får os også til at afvige fra litiumbatteriernes sande ydeevne. Så hvordan skal levetiden for litiumbatterier måles korrekt? Hvilke faktorer vil påvirke den? Lad os nu dykke ned i mysteriet om litiumbatteriers levetid.

Hvad er "levetiden" for litiumbatterier?

Før vi dykker ned i litiumbatteriers levetid, er vi nødt til at afklare et centralt spørgsmål: Hvad er litiumbatteriers "levetid"? Det måles ikke blot i tid som et menneskeliv. I litiumbatteriernes verden har deres levetid en unik måledimension.

Levetid for cyklusser: Hensyntagen til antallet af opladnings- og afladningscyklusser

Cykluslevetid er en af de vigtige indikatorer til måling af litiumbatteriers levetid. Det henviser til antallet af opladnings- og afladningscyklusser, som et litiumbatteri kan tåle, før dets kapacitet falder til en bestemt specificeret værdi under et bestemt opladnings- og afladningssystem. Kort sagt tæller en komplet proces fra fuldt opladet til fuldt afladet og derefter fuldt opladet igen som én cyklus. Når et litiumbatteri har gennemgået flere sådanne cyklusser, vil dets kapacitet gradvist falde. Når kapaciteten falder til 80% af den oprindelige kapacitet, anses det normalt for at have nået slutningen af sin cykluslevetid.

Forskellige typer litiumbatterier har forskellig cykluslevetid. For eksempel har det almindelige ternære litiumbatteri et teoretisk cyklusnummer på ca. 800-1200 gange, mens cyklusnummeret for litiumjernfosfatbatterier er relativt højt og når op på ca. 2000-2500 gange. For eksempel vil 18650 ternært litiumbatteri, der bruges af Tesla i nogle af sine modeller, under laboratorieforhold efter ca. 1000 cyklusser falde til 80% af den oprindelige kapacitet. Ifølge officielle data kan det litiumjernfosfatbatteri, som BYD bruger i nogle modeller, have en cykluslevetid på mere end 2.000 gange under normal brug, hvilket betyder, at dets kapacitet under ideelle forhold falder til 80% efter flere opladnings- og afladningscyklusser.

Kalenderliv: overvejelser om tidsdimensionen

Ud over cykluslevetiden er kalenderlevetiden også en nøglefaktor i målingen af litiumbatteriers levetid. Det refererer til perioden fra produktionsdatoen til slutningen af batteriets levetid, normalt målt i år, og dækker forskellige led som opbevaring, ældning, høj og lav temperatur, cirkulation og simulering af arbejdstilstand. Selv hvis litiumbatteriet er inaktivt og ikke oplades og aflades ofte, vil de kemiske stoffer indeni gennemgå langsomme kemiske reaktioner over tid, hvilket får batteriets ydeevne til gradvist at falde. Dette er kalenderens levetid på arbejde.

Generelt er kalenderlevetiden for litiumbatterier, der bruges i biler, 5-10 år. Hvis vi tager en bestemt elbil som eksempel, kan batterikapaciteten falde til ca. 70% efter 6-7 års brug, selv om ejeren kører færre kilometer hvert år, og bilen står parkeret det meste af tiden. Det er ligesom med fødevarers holdbarhed. Selv om den er uåbnet, vil dens kvalitet blive påvirket efter en vis periode. Mange bilfirmaer har en tendens til at fremhæve batteriets cykluslevetid i deres reklame, men forbeholder sig kalenderlevetiden. Det skyldes, at annonceringen af kalenderlevetiden kan have en vis indvirkning på salget af nye energikøretøjer. Ud fra batteripakkens garantiperiode kan vi dog stadig nogenlunde udlede dens kalenderlevetid. For eksempel indebærer den garanti på 5 år eller mere end 100.000 kilometer, som nogle bilfirmaer giver, at batteriet kan opretholde en relativt stabil ydeevne inden for dette tidsrum.

Reelle data om lithiumbatteriers levetid afsløres

Sammenligning af antallet af cyklusser for forskellige typer litiumbatterier

Litiumbatterifamilien er enorm, og forskellige typer litiumbatterier har tydelige forskelle i antallet af cyklusser. For at vise denne forskel mere intuitivt bruger vi en tabel til sammenligning:

Som det fremgår af tabellen, klarer lithiumjerntitanatbatteri og lithiumjernfosfatbatteri sig bedre med hensyn til antal cyklusser, hvoraf antallet af cyklusser for lithiumjerntitanatbatteri kan nå mere end 10000 gange, hvilket gør, at det har store fordele inden for nogle områder med ekstremt høje krav til batteriets cykluslevetid, såsom smart grid-energilagring, jernbanetransport osv. Antallet af cyklusser for lithium-jernfosfatbatterier kan også nå 2000-10.000 gange, hvilket er meget udbredt i elektriske køretøjer, energilagringskraftværker og andre scenarier. Antallet af cyklusser for litiumkoboltoxidbatterier og litiummanganoxidbatterier er relativt lille. Lithiumkoboltoxidbatterier har normalt kun 300-500 cyklusser, hvilket til en vis grad begrænser dets anvendelsesområde. På nuværende tidspunkt bruges det hovedsageligt i nogle små elektroniske enheder med strenge krav til batteriets volumen og vægt og relativt lave krav til cykluslevetid.

Levetidspræstation i faktisk brug

Det teoretiske antal cyklusser er bestemt vigtigt, men levetiden for Lithium-batterier i faktisk brug er det, vi er mere bekymrede for. Ved faktisk brug påvirkes lithiumbatteriers levetid af en kombination af faktorer, og der er ofte en vis forskel i forhold til det teoretiske antal cyklusser.

Hvis vi tager et bestemt mærke af elektriske køretøjer som eksempel, kan antallet af cyklusser for det ternære litiumbatteri, der bæres af det, nå op på ca. 1500 gange i et laboratoriemiljø i henhold til standardopladnings- og afladningstestprocessen. Men i praksis, når køretøjet hovedsageligt køres på byveje, ofte starter og stopper og ofte bruger hurtigopladningsfunktionen, falder batterikapaciteten til 80% af den oprindelige kapacitet efter ca. 800-1000 opladnings- og afladningscyklusser. Dette skyldes, at hyppig start og stop får batteriets afladningsdybde til at ændre sig kontinuerligt, og den høje varme, der genereres under hurtig opladning, vil fremskynde den kemiske reaktion inde i batteriet, hvilket får batteriet til at ældes og dermed forkorte batteriets levetid.

Tværtimod, når bilen hovedsageligt kører på motorvejen, er køreforholdene relativt stabile, og hurtig opladning bruges mindre og langsom opladning bruges mere, vil batterikapaciteten falde til 80% efter 1200-1300 opladnings- og afladningscyklusser. Det kan ses, at faktorer som kørevaner, opladnings- og afladningsmetoder og omgivelsestemperatur i faktiske brugsscenarier vil have en betydelig indvirkning på lithiumbatteriernes faktiske levetid.

Dybdegående analyse: nøglefaktorer, der påvirker lithiumbatteriers levetid

Antal opladnings- og afladningscyklusser

Efterhånden som antallet af op- og afladningscyklusser stiger, vil lithiumbatteriernes kapacitet gradvist falde, og den indre modstand vil gradvist stige. Dette er en af de vigtigste faktorer, der påvirker lithiumbatteriernes levetid. Under normale opladnings- og afladningsforhold falder lithiumbatteriernes kapacitet med ca. 0,1%-0,2% for hver cyklus. Når antallet af cyklusser når et vist niveau, accelererer kapacitetsforringelsen, hvilket betyder, at batteriet ikke kan opfylde enhedens normale brugskrav.

Figuren viser tydeligt, at batterikapaciteten i den indledende cyklusfase falder langsomt, og kurven er relativt flad; efterhånden som antallet af cyklusser stiger, falder batterikapaciteten hurtigere, og kurvens hældning øges gradvist. Når antallet af cyklusser når ca. 1.000, er batterikapaciteten faldet til ca. 80% af den oprindelige kapacitet, hvilket indikerer, at batteriet nærmer sig slutningen af sin cykluslevetid.

Betydelig indflydelse af temperatur

Temperaturen har stor indflydelse på litiumbatteriers levetid. Uanset om det er et miljø med høj eller lav temperatur, vil det have en negativ indvirkning på litiumbatteriernes ydeevne. Når litiumbatterier bruges i omgivelser med høj temperatur (f.eks. 45 °C og derover), accelereres kapacitetsforringelsen betydeligt, og levetiden forkortes kraftigt. Under høje temperaturer accelereres den kemiske reaktionshastighed inde i batteriet, hvilket vil føre til opløsning af det positive elektrodemateriale, nedbrydning af elektrolytten og ustabilitet i grænsefladefilmen (SEI) og dermed fremskynde batteriets ældning. Undersøgelser har vist, at lithiumbatteriers levetid ved 45 °C kan være 30% - 50% kortere end ved stuetemperatur (25 °C).

I miljøer med lave temperaturer (f.eks. 0 °C og derunder) reduceres litiumbatteriers opladnings- og afladningseffektivitet betydeligt, batteriets indre modstand øges, og den tilgængelige kapacitet falder. Lave temperaturer bremser migrationen af litiumioner inde i batteriet, hvilket gør det vanskeligt for den kemiske reaktion i batteriet at forløbe normalt og dermed påvirker batteriets ydeevne. Når temperaturen falder til -10 °C, kan litiumbatteriets tilgængelige kapacitet reduceres til ca. 70% ved stuetemperatur, hvilket betyder, at udholdenheden for litiumbatteriudstyr i miljøer med lav temperatur vil blive kraftigt reduceret.

Opladnings- og afladningshastighed

Hurtig opladning og afladning har også en negativ indvirkning på lithiumbatteriernes levetid. Generelt udtrykkes opladnings- og afladningshastigheden for litiumbatterier i C, og 1C betyder, at batteriet er fuldt opladet eller afladet inden for 1 time. Når opladnings- og afladningshastigheden er for hurtig, f.eks. når der bruges en hurtig opladningstilstand på mere end 1C, vil der blive genereret en stor mængde varme inde i batteriet, hvilket fremskynder batteriets ældning. Når et litiumbatteri oplades og aflades med en hastighed på 2C, forkortes dets levetid med 20% - 30% sammenlignet med opladning og afladning med en hastighed på 0,5C. Det skyldes, at hurtig opladning og afladning vil intensivere polariseringsfænomenet inde i batteriet, hvilket resulterer i en stigning i batteriets interne modstand og dermed påvirker batteriets ydeevne og levetid.

Andre faktorer

Ud over de ovennævnte hovedfaktorer vil faktorer som selve batteriets kvalitet, opladningsvedligeholdelsesmetoder og trykvibrationer også påvirke litiumbatteriers levetid. Litiumbatterier af høj kvalitet er mere sikre med hensyn til materialets renhed og fremstillingsprocessen, og deres levetid er ofte længere end for batterier af dårlig kvalitet. Korrekte opladnings- og vedligeholdelsesmetoder, som f.eks. at undgå overopladning og overafladning samt regelmæssig dyb opladning og afladning, kan også være med til at forlænge litiumbatteriers levetid. Derudover kan trykvibrationer i nogle særlige anvendelsesscenarier, såsom bump under kørsel med elektriske køretøjer og kollisioner med elektroniske enheder, forårsage skader på batteriets indre struktur og dermed påvirke batteriets ydeevne og levetid.

Hvordan man forlænger lithiumbatteriers levetid: en praktisk vejledning baseret på data

Når vi har forstået de vigtigste faktorer, der påvirker litiumbatteriers levetid, kan vi træffe målrettede foranstaltninger for at forlænge deres levetid og få litiumbatterier til at tjene os bedre.

Styr antallet af cyklusser

Prøv at reducere unødvendige opladnings- og afladningscyklusser, og undgå at tømme batteriet ofte før opladning. Du kan oplade, når der er ca. 20% - 30% tilbage for at undgå dyb afladning. For eksempel kan smartphone-brugere, når strømdisplayet viser 25%, begynde at oplade i stedet for at vente, til strømmen er opbrugt og automatisk lukker ned før opladning. Dette kan effektivt reducere antallet af opladnings- og afladningscyklusser og dermed forlænge batteriets levetid. Samtidig skal du undgå overopladning. Når batteriet er fuldt, skal opladeren tages ud af stikkontakten i tide for at forhindre, at langvarig overopladning beskadiger batteriet. Hvis du holder batteriets opladning i området 40% - 80% i lang tid, kan du reducere antallet af battericyklusser betydeligt, hvilket forlænger batteriets levetid og gør det muligt for batteriet at opretholde en god ydeevne efter mange års brug.

Oprethold en passende temperatur

Når du bruger og opbevarer litiumbatteriudstyr, skal du forsøge at opretholde en passende temperatur og undgå langvarig brug eller opbevaring i miljøer med høj eller lav temperatur. Hvis du skal bruge det i omgivelser med høje temperaturer, f.eks. hvis du bruger en elbil udendørs i den varme sommer, skal du forsøge at reducere brugstiden eller træffe afkølende foranstaltninger, f.eks. ved at parkere køretøjet et køligt sted og undgå direkte sollys. I omgivelser med lav temperatur, f.eks. i en kold vinter, skal du prøve at bruge litiumbatteriudstyr i varme omgivelser eller forvarme batteriet før brug. Kontrol af lithiumbatteriers driftstemperatur på omkring 25 °C kan forlænge batteriets levetid med 30% - 50%.

Styr opladnings- og afladningshastigheden

Prøv at undgå at bruge den hurtige opladnings- og afladningsfunktion, vælg passende opladningsudstyr og opladningsmetode, og oplad ved en lavere opladnings- og afladningshastighed. Hvis det ikke er en nødsituation, kan du prøve at vælge en langsom opladningsmetode til elbiler, f.eks. ved at bruge en hjemmeladestation til opladning om natten. Når opladnings- og afladningshastigheden reduceres fra 2C til 0,5C, kan lithiumbatteriernes levetid forlænges med 20% - 30%. Derudover skal du være opmærksom på batteriets temperaturændringer under opladningsprocessen. Hvis temperaturen er for høj, skal opladningen afbrydes, og opladningen skal fortsættes, når temperaturen er faldet.

Regelmæssig vedligeholdelse

For nogle store litiumbatterier, som f.eks. elbiler og energilagringskraftværker, er regelmæssig vedligeholdelse meget nødvendig. Du kan regelmæssigt kontrollere batteriets udseende for at se, om der er unormale forhold som udbuling og lækage; brug professionelt testudstyr til at registrere batterikapaciteten, den interne modstand og andre parametre for straks at opdage batteriproblemer. Samtidig bør batteristyringssystemet (BMS) også regelmæssigt inspiceres og opdateres for at sikre, at det kan fungere korrekt og effektivt beskytte batteriet. For eksempel anbefaler brugervejledningen til et bestemt mærke af elektriske køretøjer, at batteriet skal inspiceres og vedligeholdes fuldt ud hver 10.000 til 20.000 kilometer, så potentielle batteriproblemer kan opdages og løses i tide, og batteriets levetid kan forlænges.