Jak długo działają baterie litowe?

Bateria litowa: "żywotność", którą myśleliśmy, że znamy

Wraz z szybkim rozwojem nauki i technologii, baterie litowe Baterie litowe zostały głęboko zintegrowane ze wszystkimi aspektami naszego życia, od telefonów komórkowych i laptopów używanych w codziennym życiu po samochody elektryczne, na których polegamy podczas podróży. Istnieje jednak wiele nieporozumień dotyczących żywotności baterii litowych, wśród których szeroko rozpowszechnione jest powiedzenie, że "baterie litowe mają żywotność 500 ładowań i rozładowań". Wiele osób uważa, że baterie litowe mogą być ładowane i rozładowywane tylko 500 razy. Gdy liczba ta zostanie osiągnięta, bateria padnie i będzie musiała zostać wymieniona. Opierając się na tym przekonaniu, niektórzy użytkownicy czekają, aż bateria prawie się wyczerpie przed ładowaniem, aby wydłużyć czas użytkowania baterii litowych.

Stwierdzenie to jest jednak błędne. Tak zwane "500 ładowań i rozładowań" nie odnosi się po prostu do liczby ładowań, ale do pełnego cyklu ładowania i rozładowania. Cykl ładowania i rozładowania oznacza, że cała moc akumulatora jest zużywana od pełnego do pustego, a następnie ładowana od pustego do pełnego, co nie jest równoznaczne z jednokrotnym ładowaniem. Na przykład, pierwszego dnia połowa mocy baterii jest zużywana, a następnie w pełni ładowana; drugiego dnia połowa mocy jest zużywana i ponownie w pełni ładowana. W ten sposób dwa ładowania razem są uważane za cykl ładowania i rozładowania. Dlatego też, w prawdziwym życiu, ukończenie pełnego cyklu ładowania i rozładowania może wymagać wielu ładowań. Co więcej, po wykonaniu 500 cykli ładowania i rozładowania, bateria bateria litowa nie jest całkowicie bezużyteczny, ale jego pojemność spadnie. Ogólnie rzecz biorąc, wysokiej jakości baterie mogą nadal zachować 80% swojej pierwotnej pojemności po wielu cyklach ładowania, a wiele produktów zasilanych litem może być nadal normalnie używanych po dwóch lub trzech latach.

Oczywiście nasze wcześniejsze rozumienie żywotności baterii litowych było zbyt proste i jednostronne. To nieporozumienie nie tylko wpływa na nasze codzienne nawyki korzystania ze sprzętu z bateriami litowymi, ale także sprawia, że odbiegamy od prawdziwej wydajności baterii litowych. Jak zatem należy prawidłowo mierzyć żywotność baterii litowych? Jakie czynniki mają na nią wpływ? Następnie zagłębimy się w tajemnicę żywotności baterii litowych.

Jaka jest "żywotność" baterii litowych?

Zanim zagłębimy się w żywotność baterii litowych, musimy wyjaśnić kluczową kwestię: Czym jest "żywotność" baterii litowych? Nie jest ono po prostu mierzone czasem, jak ludzkie życie. W świecie baterii litowych ich żywotność ma unikalny wymiar pomiarowy.

Żywotność: Uwzględnienie liczby cykli ładowania i rozładowania

Żywotność cykliczna jest jednym z ważnych wskaźników pomiaru żywotności baterii litowych. Odnosi się do liczby cykli ładowania i rozładowania, które bateria litowa może wytrzymać, zanim jej pojemność spadnie do określonej wartości w określonym systemie ładowania i rozładowania. Mówiąc prościej, kompletny proces od pełnego naładowania do pełnego rozładowania, a następnie ponownego pełnego naładowania jest liczony jako jeden cykl. Gdy bateria litowa przejdzie wiele takich cykli, jej pojemność będzie stopniowo spadać. Gdy pojemność spadnie do 80% początkowej pojemności, zwykle uważa się, że osiągnęła ona koniec cyklu życia.

Różne typy baterii litowych mają różną żywotność. Na przykład, zwykła trójskładnikowa bateria litowa ma teoretyczną liczbę cykli około 800-1200 razy, podczas gdy liczba cykli baterii litowo-żelazowo-fosforanowych jest stosunkowo wysoka, osiągając około 2000-2500 razy. Na przykład, trójskładnikowa bateria litowa 18650 używana przez Teslę w niektórych modelach, w warunkach laboratoryjnych, po około 1000 cyklach, pojemność baterii spadnie do 80% początkowej pojemności. Według oficjalnych danych, bateria litowo-żelazowo-fosforanowa stosowana przez BYD w niektórych modelach może mieć żywotność ponad 2000 cykli przy normalnym użytkowaniu, co oznacza, że w idealnych warunkach jej pojemność spada do 80% po większej liczbie cykli ładowania i rozładowania.

Kalendarz życia: uwzględnienie wymiaru czasu

Oprócz żywotności cyklicznej, żywotność kalendarzowa jest również kluczowym czynnikiem w pomiarze żywotności baterii litowych. Odnosi się ona do okresu od daty produkcji do końca żywotności baterii, zwykle mierzonego w latach, obejmującego różne powiązania, takie jak przechowywanie na półkach, starzenie, wysoka i niska temperatura, cyrkulacja i symulacja warunków pracy. Nawet jeśli bateria litowa jest bezczynna i nie jest często ładowana i rozładowywana, znajdujące się w niej substancje chemiczne będą z czasem ulegać powolnym reakcjom chemicznym, powodując stopniowy spadek wydajności baterii. To jest właśnie żywotność kalendarza.

Ogólnie rzecz biorąc, kalendarzowa żywotność baterii litowych stosowanych w samochodach wynosi 5-10 lat. Biorąc za przykład pewien samochód elektryczny, nawet jeśli właściciel przejeżdża mniej kilometrów każdego roku, a pojazd jest zaparkowany przez większość czasu, pojemność baterii może spaść do około 70% po 6-7 latach użytkowania. Przypomina to okres przydatności do spożycia żywności. Nawet jeśli jest nieotwarta, jej jakość ulegnie pogorszeniu po pewnym czasie. Wiele firm motoryzacyjnych podkreśla w swoich reklamach żywotność cykliczną akumulatora, ale rezerwuje żywotność kalendarzową. Wynika to z faktu, że ogłoszenie żywotności kalendarzowej może mieć pewien wpływ na sprzedaż nowych pojazdów energetycznych. Jednak na podstawie okresu gwarancyjnego akumulatora nadal możemy z grubsza wywnioskować jego żywotność kalendarzową. Na przykład, zobowiązanie gwarancyjne na 5 lat lub ponad 100 000 kilometrów udzielane przez niektóre firmy samochodowe sugeruje, że akumulator może utrzymać względnie stabilną wydajność w tym przedziale czasowym.

Ujawniono rzeczywiste dane dotyczące żywotności baterii litowych

Porównanie liczby cykli różnych typów baterii litowych

Rodzina baterii litowych jest ogromna, a różne typy baterii litowych mają oczywiste różnice w liczbie cykli. Aby pokazać tę różnicę bardziej intuicyjnie, użyjemy tabeli do porównania:

Jak wynika z tabeli, akumulatory litowo-żelazowo-tytanianowe i litowo-żelazowo-fosforanowe osiągają lepsze wyniki pod względem liczby cykli, z czego liczba cykli akumulatorów litowo-żelazowo-tytanianowych może osiągnąć ponad 10000 razy, co sprawia, że mają one ogromne zalety w niektórych dziedzinach o bardzo wysokich wymaganiach dotyczących żywotności baterii, takich jak inteligentne sieci magazynowania energii, transport kolejowy itp. Liczba cykli baterii litowo-żelazowo-fosforanowej może również osiągnąć 2000-10000 razy, co jest szeroko stosowane w pojazdach elektrycznych, elektrowniach magazynujących energię i innych scenariuszach. Liczba cykli baterii litowo-kobaltowo-tlenkowych i litowo-manganowo-tlenkowych jest stosunkowo niewielka. Akumulatory litowo-kobaltowe mają zwykle tylko 300-500 cykli, co w pewnym stopniu ogranicza zakres ich zastosowań. Obecnie są one stosowane głównie w niektórych małych urządzeniach elektronicznych o surowych wymaganiach dotyczących objętości i wagi baterii oraz stosunkowo niskich wymaganiach dotyczących żywotności.

Żywotność w rzeczywistym użytkowaniu

Teoretyczna liczba cykli jest z pewnością ważna, ale żywotność baterie litowe w rzeczywistym użytkowaniu jest tym, co nas bardziej interesuje. W rzeczywistym użytkowaniu na żywotność baterii litowych ma wpływ kombinacja czynników i często występuje pewna różnica w stosunku do teoretycznej liczby cykli.

Biorąc za przykład pewną markę pojazdów elektrycznych, liczba cykli trójskładnikowej baterii litowej może osiągnąć około 1500 razy w środowisku laboratoryjnym zgodnie ze standardowym procesem ładowania i rozładowywania. Jednak w rzeczywistym użytkowaniu, gdy pojazd porusza się głównie po drogach miejskich, często uruchamia się i zatrzymuje oraz często korzysta z funkcji szybkiego ładowania, po około 800-1000 cyklach ładowania i rozładowania pojemność akumulatora spada do 80% pojemności początkowej. Dzieje się tak, ponieważ częste uruchamianie i zatrzymywanie powoduje ciągłą zmianę głębokości rozładowania akumulatora, a wysoka temperatura generowana podczas szybkiego ładowania przyspiesza reakcję chemiczną wewnątrz akumulatora, powodując starzenie się akumulatora, a tym samym skracając jego żywotność.

Z drugiej strony, gdy samochód jeździ głównie po autostradzie, warunki jazdy są względnie stabilne, a szybkie ładowanie jest używane mniej, a wolne ładowanie jest używane częściej, pojemność akumulatora spadnie do 80% po 1200-1300 cyklach ładowania i rozładowania. Można zauważyć, że czynniki takie jak nawyki jazdy, metody ładowania i rozładowywania oraz temperatura otoczenia w rzeczywistych scenariuszach użytkowania będą miały znaczący wpływ na rzeczywistą żywotność baterii litowych.

Dogłębna analiza: kluczowe czynniki wpływające na żywotność baterii litowych

Liczba cykli ładowania i rozładowania

Wraz ze wzrostem liczby cykli ładowania i rozładowania, pojemność baterii litowych będzie stopniowo spadać, a rezystancja wewnętrzna będzie stopniowo wzrastać. Jest to jeden z kluczowych czynników wpływających na żywotność baterii litowych. W normalnych warunkach ładowania i rozładowywania pojemność baterii litowych spada o około 0,1%-0,2% na każdy cykl. Gdy liczba cykli osiągnie określony poziom, spadek pojemności przyspieszy, powodując, że bateria nie będzie w stanie spełnić normalnych wymagań użytkowania urządzenia.

Rysunek wyraźnie pokazuje, że w początkowej fazie cyklu pojemność akumulatora spada powoli, a krzywa jest stosunkowo płaska; wraz ze wzrostem liczby cykli pojemność akumulatora spada szybciej, a nachylenie krzywej stopniowo wzrasta. Gdy liczba cykli osiągnie około 1000, pojemność akumulatora spadnie do około 80% pojemności początkowej, co wskazuje, że akumulator zbliża się do końca okresu eksploatacji.

Znaczący wpływ temperatury

Temperatura ma znaczący wpływ na żywotność baterii litowych. Niezależnie od tego, czy jest to środowisko o wysokiej czy niskiej temperaturze, będzie ono miało negatywny wpływ na wydajność baterii litowych. Gdy baterie litowe są używane w środowisku o wysokiej temperaturze (np. 45°C lub wyższej), tempo spadku ich pojemności zostanie znacznie przyspieszone, a żywotność cyklu ulegnie znacznemu skróceniu. W warunkach wysokiej temperatury szybkość reakcji chemicznych wewnątrz akumulatora ulega przyspieszeniu, co prowadzi do rozpuszczenia materiału elektrody dodatniej, rozkładu elektrolitu i niestabilności warstwy pośredniej (SEI), przyspieszając w ten sposób starzenie się akumulatora. Badania wykazały, że w temperaturze 45°C żywotność baterii litowych może być o 30% - 50% krótsza niż w temperaturze pokojowej (25°C).

W środowiskach o niskiej temperaturze (np. 0°C i poniżej) wydajność ładowania i rozładowywania baterii litowych będzie znacznie zmniejszona, wewnętrzna rezystancja baterii wzrośnie, a dostępna pojemność zmniejszy się. Niska temperatura spowalnia migrację jonów litu wewnątrz akumulatora, utrudniając normalny przebieg reakcji chemicznej akumulatora, a tym samym wpływając na jego wydajność. Gdy temperatura spadnie do -10°C, dostępna pojemność baterii litowej może zostać zmniejszona do około 70% w temperaturze pokojowej, co oznacza, że w środowiskach o niskiej temperaturze wytrzymałość baterii litowej zostanie znacznie zmniejszona.

Szybkość ładowania i rozładowania

Szybkie ładowanie i rozładowywanie ma również negatywny wpływ na żywotność baterii litowych. Ogólnie rzecz biorąc, szybkość ładowania i rozładowywania baterii litowych jest wyrażana w C, a 1C oznacza, że bateria jest w pełni naładowana lub rozładowana w ciągu 1 godziny. Gdy szybkość ładowania i rozładowywania jest zbyt duża, na przykład gdy używany jest tryb szybkiego ładowania większy niż 1C, wewnątrz baterii generowana jest duża ilość ciepła, co przyspiesza starzenie się baterii. Gdy bateria litowa jest ładowana i rozładowywana z szybkością 2C, jej żywotność zostanie skrócona o 20% - 30% w porównaniu do ładowania i rozładowywania z szybkością 0,5C. Dzieje się tak, ponieważ szybkie ładowanie i rozładowywanie nasila zjawisko polaryzacji wewnątrz akumulatora, powodując wzrost wewnętrznej rezystancji akumulatora, wpływając tym samym na jego wydajność i żywotność.

Inne czynniki

Oprócz powyższych głównych czynników, na żywotność baterii litowych wpływają również takie czynniki, jak jakość samej baterii, metody konserwacji ładowania i wibracje ciśnieniowe. Wysokiej jakości baterie litowe są bardziej bezpieczne pod względem czystości materiału i procesu produkcyjnego, a ich żywotność jest często dłuższa niż w przypadku baterii niskiej jakości. Prawidłowe metody ładowania i konserwacji, takie jak unikanie przeładowania i nadmiernego rozładowania oraz regularne głębokie ładowanie i rozładowywanie, mogą również pomóc wydłużyć żywotność baterii litowych. Ponadto w niektórych specjalnych scenariuszach zastosowań, takich jak wyboje podczas jazdy pojazdami elektrycznymi i kolizje urządzeń elektronicznych, wibracje ciśnieniowe mogą spowodować uszkodzenie wewnętrznej struktury akumulatora, wpływając tym samym na jego wydajność i żywotność.

Jak wydłużyć żywotność baterii litowych: praktyczny przewodnik oparty na danych

Po zrozumieniu kluczowych czynników, które wpływają na żywotność baterii litowych, możemy podjąć ukierunkowane działania w celu wydłużenia ich żywotności i sprawienia, że baterie litowe będą nam lepiej służyć.

Kontrola liczby cykli

Należy starać się ograniczyć niepotrzebne cykle ładowania i rozładowania oraz unikać częstego rozładowywania akumulatora przed ładowaniem. Akumulator można ładować, gdy pozostało około 20% - 30%, aby uniknąć głębokiego rozładowania. Na przykład w przypadku użytkowników smartfonów, gdy wskaźnik zasilania pokazuje 25%, należy rozpocząć ładowanie zamiast czekać do wyczerpania energii i automatycznego wyłączenia przed ładowaniem. Może to skutecznie zmniejszyć liczbę cykli ładowania i rozładowania, a tym samym wydłużyć żywotność baterii. Jednocześnie należy unikać przeładowania. Gdy bateria jest pełna, ładowarka powinna zostać odłączona na czas, aby zapobiec uszkodzeniu baterii przez długotrwałe przeładowanie. Utrzymywanie poziomu naładowania akumulatora w zakresie 40% - 80% przez długi czas może znacznie zmniejszyć liczbę cykli akumulatora, wydłużając w ten sposób żywotność akumulatora i umożliwiając utrzymanie dobrej wydajności akumulatora po wielu latach użytkowania.

Utrzymywanie odpowiedniej temperatury

Podczas używania i przechowywania sprzętu z baterią litową należy starać się utrzymywać odpowiednią temperaturę i unikać długotrwałego używania lub przechowywania w środowisku o wysokiej lub niskiej temperaturze. W przypadku konieczności korzystania z urządzenia w środowisku o wysokiej temperaturze, takim jak korzystanie z samochodu elektrycznego na zewnątrz w upalne lato, należy spróbować skrócić czas użytkowania lub podjąć środki chłodzące, takie jak parkowanie pojazdu w chłodnym miejscu podczas parkowania, unikając bezpośredniego światła słonecznego. W środowisku o niskiej temperaturze, np. w mroźną zimę, należy używać baterii litowych w ciepłym otoczeniu lub podgrzać baterię przed użyciem. Kontrolowanie temperatury pracy baterii litowych na poziomie około 25°C może wydłużyć cykl życia baterii o 30% - 50%.

Kontrola szybkości ładowania i rozładowywania

Staraj się unikać korzystania z funkcji szybkiego ładowania i rozładowywania, wybierz odpowiedni sprzęt do ładowania i metodę ładowania oraz ładuj z niższą szybkością ładowania i rozładowywania. W przypadku pojazdów elektrycznych, jeśli nie jest to sytuacja awaryjna, należy wybrać powolną metodę ładowania, taką jak korzystanie z domowej stacji ładowania do ładowania nocnego. Gdy szybkość ładowania i rozładowywania zostanie zmniejszona z 2C do 0,5C, żywotność baterii litowych może zostać wydłużona o 20% - 30%. Ponadto podczas procesu ładowania należy zwracać uwagę na zmiany temperatury akumulatora. Jeśli temperatura jest zbyt wysoka, ładowanie należy zawiesić i kontynuować po obniżeniu temperatury.

Regularna konserwacja

W przypadku niektórych dużych akumulatorów litowych, takich jak pojazdy elektryczne i elektrownie magazynujące energię, regularna konserwacja jest bardzo konieczna. Można regularnie sprawdzać wygląd baterii, aby sprawdzić, czy nie występują nieprawidłowe warunki, takie jak wybrzuszenia i wycieki; używać profesjonalnego sprzętu testującego do wykrywania pojemności baterii, rezystancji wewnętrznej i innych parametrów, aby szybko wykryć problemy z baterią. Jednocześnie należy regularnie sprawdzać i aktualizować system zarządzania akumulatorem (BMS), aby zapewnić jego prawidłowe działanie i skuteczną ochronę akumulatora. Przykładowo, instrukcja obsługi pewnej marki pojazdów elektrycznych zaleca pełną kontrolę i konserwację akumulatora co 10 000 do 20 000 kilometrów, dzięki czemu potencjalne problemy z akumulatorem mogą zostać wykryte i rozwiązane w odpowiednim czasie, a żywotność akumulatora może zostać wydłużona.