Kuinka kauan litiumparistot kestävät?

Litiumakku: "elinkaari", jonka luulimme tietävämme

Tieteen ja teknologian nopean kehityksen myötä, litiumparistot ovat integroituneet syvälle kaikkiin elämämme osa-alueisiin, matkapuhelimista ja kannettavista tietokoneista aina sähköautoihin, joihin luotamme matkustaessamme. Litiumakkujen käyttöiästä on kuitenkin monia väärinkäsityksiä, joista laajalti leviää sanonta, jonka mukaan "litiumakkujen käyttöikä on 500 latausta ja purkausta". Monet ihmiset uskovat, että litiumakkuja voidaan ladata ja purkaa vain 500 kertaa. Kun tämä määrä on saavutettu, akku kuolee ja se on vaihdettava. Tämän käsityksen perusteella jotkut käyttäjät odottavat, kunnes akku on lähes tyhjä, ennen kuin lataavat sen, jotta litiumparistojen käyttöaikaa voitaisiin pidentää.

Mutta tämä väite on itse asiassa väärä. Niin sanottu "500 latausta ja purkausta" ei tarkoita pelkästään latausten määrää, vaan kokonaista lataus- ja purkaussykliä. Lataus- ja purkaussykli tarkoittaa, että akun koko teho käytetään täyteen ja tyhjäksi ja ladataan sitten tyhjästä täyteen, mikä ei vastaa kertalatausta. Esimerkiksi ensimmäisenä päivänä käytetään puolet akun tehosta ja ladataan sitten täyteen; toisena päivänä käytetään puolet tehosta ja ladataan taas täyteen. Näin kahta latausta yhdessä pidetään lataus- ja purkaussyklinä. Todellisessa elämässä voi siis kestää useita latauksia, ennen kuin täydellinen lataus- ja purkaussykli on valmis. Lisäksi 500 lataus- ja purkaussyklin jälkeen, kun litiumparisto ei ole täysin käyttökelvoton, mutta sen kapasiteetti vähenee. Yleisesti ottaen korkealaatuiset akut voivat säilyttää 80% alkuperäisen kapasiteettinsa useiden lataussyklien jälkeen, ja monia litiumkäyttöisiä tuotteita voidaan käyttää normaalisti vielä kahden tai kolmen vuoden kuluttua.

Aiempi käsityksemme litiumparistojen käyttöiästä oli ilmeisesti liian yksinkertainen ja yksipuolinen. Tämä väärinkäsitys ei ainoastaan vaikuta päivittäisiin tapoihimme käyttää litiumparistolaitteita, vaan saa meidät myös poikkeamaan litiumparistojen todellisesta suorituskyvystä. Miten litiumparistojen käyttöikä pitäisi siis mitata oikein? Mitkä tekijät vaikuttavat siihen? Tutustutaan seuraavaksi litiumparistojen käyttöiän mysteeriin.

Mikä on litiumparistojen "käyttöikä"?

Ennen kuin perehdymme litiumparistojen käyttöikään, meidän on selvitettävä eräs keskeinen kysymys: Mikä on litiumparistojen "käyttöikä"? Sitä ei mitata yksinkertaisesti ajalla kuten ihmiselämää. Litiumparistojen maailmassa sen eliniällä on ainutlaatuinen mittausulottuvuus.

Syklinen käyttöikä: Lataus- ja purkaussyklien määrä.

Syklin kestoikä on yksi tärkeimmistä indikaattoreista litiumakkujen käyttöiän mittaamisessa. Sillä tarkoitetaan lataus- ja purkaussyklien lukumäärää, jonka litiumakku kestää ennen kuin sen kapasiteetti laskee tiettyyn arvoon tietyssä lataus- ja purkujärjestelmässä. Yksinkertaisesti sanottuna yksi sykli on täydellinen prosessi täydestä latauksesta täyteen purkautumiseen ja sitten taas täyteen lataukseen. Kun litiumparisto on läpäissyt useita tällaisia syklejä, sen kapasiteetti vähenee vähitellen. Kun kapasiteetti laskee 80%:een alkuperäisestä kapasiteetista, sen katsotaan yleensä saavuttaneen syklinsä käyttöiän lopun.

Eri tyyppisillä litiumakuilla on erilainen käyttöikä. Esimerkiksi tavallisen ternäärisen litiumakun teoreettinen sykliluku on noin 800-1200 kertaa, kun taas litium-rautafosfaattiakkujen sykliluku on suhteellisen korkea, noin 2000-2500 kertaa. Esimerkiksi Teslan joissakin malleissa käyttämän 18650-ternäärisen litiumakun kapasiteetti laskee laboratorio-olosuhteissa noin 1000 syklin jälkeen 80% alkuperäisestä kapasiteetista. Virallisten tietojen mukaan BYD:n joissakin malleissa käyttämän litium-rautafosfaattiakun syklin kesto voi olla yli 2000 kertaa normaalissa käytössä, mikä tarkoittaa, että ihanteellisissa olosuhteissa sen kapasiteetti laskee 80%:hen useamman lataus- ja purkaussyklin jälkeen.

Kalenterielämä: aikaulottuvuuden huomioon ottaminen

Syklin keston lisäksi myös kalenterin kestoikä on keskeinen tekijä litiumparistojen käyttöiän mittaamisessa. Sillä tarkoitetaan ajanjaksoa valmistuspäivästä akun käyttöiän loppuun, joka mitataan yleensä vuosina ja joka kattaa eri yhteydet, kuten hyllyttämisen, ikääntymisen, korkean ja matalan lämpötilan, kierron ja käyttöolosuhteiden simuloinnin. Vaikka litiumakku olisi käyttämättömänä eikä sitä ladattaisi ja purkaisi usein, sen sisällä olevat kemialliset aineet käyvät ajan myötä läpi hitaita kemiallisia reaktioita, jolloin akun suorituskyky heikkenee vähitellen. Tämä on kalenterin käyttöikä työssä.

Yleisesti ottaen autoissa käytettävien litiumakkujen käyttöikä on 5-10 vuotta. Vaikka tietyn sähköauton omistaja ajaisi vuosittain vähemmän kilometrejä ja ajoneuvo olisi suurimman osan ajasta pysäköitynä, akun kapasiteetti voi 6-7 vuoden käytön jälkeen laskea noin 70%:iin. Tämä on aivan kuin elintarvikkeiden säilyvyys. Vaikka se olisi avaamaton, sen laatu heikkenee tietyn ajan kuluttua. Monilla autovalmistajilla on tapana korostaa mainonnassaan akun syklistä käyttöikää, mutta kalenteriaika jätetään huomiotta. Tämä johtuu siitä, että kalenteriajan ilmoittamisella voi olla tietty vaikutus uusien energia-autojen myyntiin. Akkupaketin takuukaudesta voidaan kuitenkin päätellä karkeasti sen kalenteriaika. Esimerkiksi joidenkin autonvalmistajien antama viiden vuoden tai yli 100 000 kilometrin takuusitoumus viittaa siihen, että akun suorituskyky voi säilyä suhteellisen vakaana tällä aikavälillä.

Litiumakkujen kestoajasta julkaistaan todellisia tietoja.

Eri tyyppisten litiumakkujen syklien lukumäärän vertailu

Litiumakkujen perhe on valtava, ja eri litiumakkutyypeillä on selviä eroja syklien määrässä. Jotta tämä ero näkyisi intuitiivisemmin, käytämme vertailussa taulukkoa:

Kuten taulukosta käy ilmi, litium-rautatitaani-akku ja litium-rautafosfaattiakku ovat parempia syklien lukumäärän suhteen, joista litium-rautatitaani-akun syklien lukumäärä voi olla yli 10000 kertaa, mikä antaa sille suuria etuja joillakin aloilla, joilla on erittäin korkeat vaatimukset akun syklin kestolle, kuten älykkään verkon energiavarastointi, raideliikenne jne. Litium-rautafosfaattiakun syklien määrä voi myös olla 2000 - 10000 kertaa, ja sitä käytetään laajalti sähköajoneuvoissa, energian varastointivoimaloissa ja muissa tilanteissa. Litiumkobolttioksidiparistojen ja litiummangaanioksidiparistojen syklien määrä on suhteellisen pieni. Litiumkobolttioksidiparistoissa on yleensä vain 300-500 sykliä, mikä rajoittaa jonkin verran sen käyttöaluetta. Tällä hetkellä sitä käytetään pääasiassa joissakin pienissä elektroniikkalaitteissa, joissa on tiukat vaatimukset akun tilavuudelle ja painolle ja suhteellisen alhaiset vaatimukset syklin kestolle.

Elinikäinen suorituskyky todellisessa käytössä

Teoreettinen syklien määrä on varmasti tärkeä, mutta käyttöiän suorituskyky ja litiumparistot todellisessa käytössä on se, mistä olemme enemmän huolissamme. Todellisessa käytössä litiumakkujen käyttöikään vaikuttavat useat tekijät, ja se poikkeaa usein jonkin verran teoreettisesta syklien määrästä.

Esimerkkinä tietystä sähköajoneuvomerkistä voidaan todeta, että sen kuljettaman ternäärisen litiumakun syklien määrä voi olla noin 1500 kertaa laboratorioympäristössä vakiomuotoisen lataus- ja purkaustestiprosessin mukaisesti. Todellisessa käytössä, kun ajoneuvoa ajetaan pääasiassa kaupunkiteillä, se käynnistyy ja pysähtyy usein ja käyttää usein pikalataustoimintoa, akun kapasiteetti laskee noin 800-1000 lataus- ja purkaussyklin jälkeen 80% alkuperäisestä kapasiteetista. Tämä johtuu siitä, että usein tapahtuva käynnistäminen ja pysäyttäminen aiheuttaa akun purkautumissyvyyden jatkuvan muuttumisen, ja pikalatauksen aikana syntyvä suuri lämpö kiihdyttää akun sisällä tapahtuvaa kemiallista reaktiota, mikä aiheuttaa akun vanhenemista ja lyhentää siten akun käyttöikää.

Päinvastoin, kun autolla ajetaan pääasiassa moottoritiellä, ajo-olosuhteet ovat suhteellisen vakaat ja pikalatausta käytetään vähemmän ja hidasta latausta enemmän, akun kapasiteetti laskee 80%:hen 1200-1300 lataus- ja purkaussyklin jälkeen. Voidaan nähdä, että sellaiset tekijät kuin ajotavat, lataus- ja purkausmenetelmät ja ympäristön lämpötila todellisissa käyttöolosuhteissa vaikuttavat merkittävästi litiumakkujen todelliseen käyttöikään.

Syvällinen analyysi: litiumakkujen käyttöikään vaikuttavat avaintekijät

Lataus- ja purkaussyklien määrä

Kun lataus- ja purkaussyklien määrä kasvaa, litiumakkujen kapasiteetti vähenee vähitellen ja sisäinen vastus kasvaa vähitellen. Tämä on yksi tärkeimmistä tekijöistä, jotka vaikuttavat litiumparistojen käyttöikään. Normaaleissa lataus- ja purkuolosuhteissa litiumparistojen kapasiteetti laskee noin 0,1%-0,2% jokaisessa syklissä. Kun syklien määrä saavuttaa tietyn tason, kapasiteetin heikkeneminen kiihtyy, jolloin akku ei pysty täyttämään laitteen tavanomaisia käyttövaatimuksia.

Kuvasta käy selvästi ilmi, että alkuvaiheessa akun kapasiteetti laskee hitaasti ja käyrä on suhteellisen tasainen; syklien määrän kasvaessa akun kapasiteetti laskee nopeammin ja käyrän kaltevuus kasvaa vähitellen. Kun syklien määrä on noin 1 000, akun kapasiteetti on laskenut noin 80% alkuperäisestä kapasiteetista, mikä osoittaa, että akku lähestyy syklinsä loppua.

Lämpötilan merkittävä vaikutus

Lämpötila vaikuttaa merkittävästi litiumparistojen käyttöikään. Olipa kyseessä korkea tai matala lämpötila, se vaikuttaa negatiivisesti litiumakkujen suorituskykyyn. Kun litiumparistoja käytetään korkeassa lämpötilassa (kuten 45 °C:ssa tai sitä korkeammassa), niiden kapasiteetin heikkenemisnopeus nopeutuu merkittävästi ja syklin kesto lyhenee huomattavasti. Korkeissa lämpötiloissa kemiallinen reaktionopeus akun sisällä kiihtyy, mikä johtaa positiivisen elektrodimateriaalin liukenemiseen, elektrolyytin hajoamiseen ja rajapintakalvon (SEI) epävakauteen, mikä nopeuttaa akun vanhenemista. Tutkimukset ovat osoittaneet, että 45 °C:n lämpötilassa litiumakkujen syklien kestoikä voi olla 30% - 50% lyhyempi kuin huoneenlämmössä (25 °C).

Matalissa lämpötiloissa (kuten 0 °C ja alle) litiumakkujen lataus- ja purkaustehokkuus heikkenee merkittävästi, akun sisäinen vastus kasvaa ja käytettävissä oleva kapasiteetti pienenee. Alhainen lämpötila hidastaa litiumionien siirtymistä akun sisällä, mikä vaikeuttaa akun kemiallisten reaktioiden normaalia etenemistä ja vaikuttaa siten akun suorituskykyyn. Kun lämpötila laskee -10 °C:een, litiumpariston käytettävissä oleva kapasiteetti voi pienentyä noin 70%:hen huoneenlämmössä, mikä tarkoittaa, että matalissa lämpötiloissa litiumparistolaitteiden kestävyys heikkenee huomattavasti.

Lataus- ja purkautumisnopeus

Nopea lataaminen ja purkaminen vaikuttaa myös negatiivisesti litiumakkujen käyttöikään. Yleisesti ottaen litiumakkujen lataus- ja purkautumisnopeus ilmaistaan C:nä, ja 1C tarkoittaa, että akku latautuu tai purkautuu täysin 1 tunnissa. Kun lataus- ja purkautumisnopeus on liian nopea, esimerkiksi kun käytetään yli 1 C:n pikalataustilaa, akun sisällä syntyy paljon lämpöä, mikä nopeuttaa akun vanhenemista. Kun litiumakku ladataan ja puretaan 2 C:n nopeudella, sen käyttöikä lyhenee 20% - 30% verrattuna 0,5 C:n lataus- ja purkaustapaan. Tämä johtuu siitä, että nopea lataus ja purku voimistaa polarisaatioilmiötä akun sisällä, mikä johtaa akun sisäisen vastuksen kasvuun ja vaikuttaa siten akun suorituskykyyn ja käyttöikään.

Muut tekijät

Edellä mainittujen päätekijöiden lisäksi litiumakkujen käyttöikään vaikuttavat myös sellaiset tekijät kuin itse akun laatu, latauksen huoltomenetelmät ja painetärinä. Laadukkaat litiumakut ovat materiaalipuhtauden ja valmistusprosessin kannalta varmempia, ja niiden käyttöikä on usein pidempi kuin huonolaatuisten akkujen. Oikeat lataus- ja huoltomenetelmät, kuten ylilatauksen ja ylipurkauksen välttäminen sekä säännöllinen syvälataus ja -purkaminen, voivat myös pidentää litiumparistojen käyttöikää. Lisäksi joissakin erityissovellustilanteissa, kuten sähköajoneuvojen ajon aikana tapahtuvissa kolhuissa ja elektronisten laitteiden törmäyksissä, paineen aiheuttamat tärinät voivat vaurioittaa akun sisäistä rakennetta, mikä vaikuttaa akun suorituskykyyn ja käyttöikään.

Miten pidentää litiumakkujen käyttöikää: tietoihin perustuva käytännön opas

Kun olemme ymmärtäneet litiumparistojen käyttöikään vaikuttavat keskeiset tekijät, voimme ryhtyä kohdennettuihin toimenpiteisiin niiden käyttöiän pidentämiseksi ja saada litiumparistot palvelemaan meitä paremmin.

Syklien lukumäärän säätö

Yritä vähentää tarpeettomia lataus- ja purkaussyklejä ja vältä akun tyhjentämistä usein ennen lataamista. Voit ladata, kun akkua on jäljellä noin 20% - 30%, jotta vältät syväpurkauksen. Esimerkiksi älypuhelinten käyttäjille, kun virranäyttö näyttää 25%, aloita lataus sen sijaan, että odotat, että virta loppuu ja sammuu automaattisesti ennen latausta. Tämä voi tehokkaasti vähentää lataus- ja purkaussyklien määrää ja siten pidentää akun käyttöikää. Samalla vältetään ylilataus. Kun akku on täynnä, laturi on irrotettava ajoissa, jotta pitkäaikainen ylilataus ei vahingoita akkua. Pitämällä akun varauksen alueella 40% - 80% pitkään voidaan merkittävästi vähentää akun lataussyklien määrää, jolloin akun käyttöikä pitenee ja akku voi säilyttää hyvän suorituskykynsä monen vuoden käytön jälkeen.

Pidä yllä sopivaa lämpötilaa

Kun käytät ja varastoit litiumparistolaitteita, pyri pitämään yllä sopivaa lämpötilaa ja vältä pitkäaikaista käyttöä tai varastointia korkeissa tai matalissa lämpötiloissa. Jos joudut käyttämään laitetta korkean lämpötilan ympäristössä, kuten käyttämällä sähköautoa ulkona kuumana kesänä, yritä lyhentää käyttöaikaa tai ryhdy jäähdytystoimenpiteisiin, kuten pysäköimällä ajoneuvo viileään paikkaan pysäköinnin aikana ja välttämällä suoraa auringonvaloa. Alhaisen lämpötilan ympäristössä, kuten kylmänä talvena, yritä käyttää litiumakkulaitteita lämpimässä ympäristössä tai esilämmitä akku ennen käyttöä. Litiumakkujen käyttölämpötilan pitäminen noin 25 °C:ssa voi pidentää akun syklin kestoa 30% - 50%.

Säädä lataus- ja purkautumisnopeutta

Yritä välttää pikalataus- ja -purkamistoiminnon käyttöä, valitse sopiva latauslaite ja latausmenetelmä ja lataa pienemmällä lataus- ja purkamisnopeudella. Jos kyseessä ei ole hätätilanne, yritä valita sähköajoneuvoille hidas latausmenetelmä, kuten kotilatausaseman käyttäminen yölataukseen. Kun lataus- ja purkausnopeutta vähennetään 2C:sta 0,5C:hen, litiumakkujen syklien kestoa voidaan pidentää 20% - 30%. Lisäksi kiinnitä latausprosessin aikana huomiota akun lämpötilan muutoksiin. Jos lämpötila on liian korkea, lataus on keskeytettävä ja latausta on jatkettava lämpötilan laskiessa.

Säännöllinen huolto

Joidenkin suurten litiumparistolaitteiden, kuten sähköajoneuvojen ja energiavarastointivoimaloiden, säännöllinen huolto on erittäin tärkeää. Voit tarkistaa säännöllisesti akun ulkonäön nähdäkseni, onko siinä epänormaaleja olosuhteita, kuten pullistumia ja vuotoja; käytä ammattimaisia testauslaitteita akun kapasiteetin, sisäisen resistanssin ja muiden parametrien havaitsemiseksi, jotta akkuongelmat voidaan havaita nopeasti. Samalla akun hallintajärjestelmä (BMS) olisi myös tarkastettava ja päivitettävä säännöllisesti sen varmistamiseksi, että se voi toimia oikein ja suojata akkua tehokkaasti. Esimerkiksi tietyn sähköautomerkin käyttöoppaassa suositellaan, että akku on tarkastettava ja huollettava täydellisesti 10 000-20 000 kilometrin välein, jotta mahdolliset akkuongelmat voidaan havaita ja ratkaista ajoissa ja akun käyttöikää voidaan pidentää.