Как долго служат литиевые батареи?

Литиевая батарея: срок службы, который, как нам казалось, мы знали

С быстрым развитием науки и техники, литиевые батареи глубоко проникли во все аспекты нашей жизни, начиная с мобильных телефонов и ноутбуков, используемых в повседневной жизни, и заканчивая электромобилями, на которых мы передвигаемся. Однако существует множество заблуждений относительно срока службы литиевых батарей, среди которых широко распространено утверждение, что "срок службы литиевых батарей составляет 500 зарядов и разрядов". Многие считают, что литиевые батареи можно заряжать и разряжать только 500 раз. По достижении этого числа батарея умирает и подлежит замене. Исходя из этого, некоторые пользователи ждут, пока батарея почти разрядится, прежде чем заряжать ее, чтобы продлить время использования литиевых батарей.

Но на самом деле это утверждение неверно. Так называемые "500 зарядов и разрядов" означают не просто количество зарядов, а полный цикл заряда и разряда. Цикл заряда и разряда означает, что вся энергия батареи расходуется от полной до пустой, а затем заряжается от пустой до полной, что не эквивалентно одной зарядке. Например, в первый день расходуется половина заряда батареи, а затем она полностью заряжается; во второй день расходуется половина заряда и снова полностью заряжается. Таким образом, две зарядки вместе считаются циклом заряда и разряда. Поэтому в реальной жизни для завершения полного цикла заряда и разряда может потребоваться несколько зарядок. Более того, после 500 циклов заряда и разряда литиевая батарея не станет полностью непригодным для использования, но его емкость снизится. Как правило, высококачественные батареи могут сохранять 80% свою первоначальную емкость после нескольких циклов зарядки, и многие изделия с литиевым питанием можно нормально использовать через два-три года.

Очевидно, что наше прежнее представление о сроке службы литиевых батарей было слишком простым и однобоким. Такое непонимание не только влияет на наши повседневные привычки использования оборудования с литиевыми батареями, но и заставляет нас отклоняться от истинных характеристик литиевых батарей. Итак, как правильно измерять срок службы литиевых батарей? Какие факторы влияют на него? Далее давайте погрузимся в тайну срока службы литиевых батарей.

Какова "жизнь" литиевых батарей

Прежде чем перейти к рассмотрению срока службы литиевых батарей, необходимо прояснить один ключевой вопрос: Что такое "жизнь" литиевых батарей? Она не просто измеряется временем, как человеческая жизнь. В мире литиевых батарей их жизнь имеет уникальное измерение.

Срок службы: Учет количества циклов заряда и разряда

Срок службы цикла - один из важных показателей для измерения срока службы литиевых батарей. Он означает количество циклов заряда и разряда, которое может выдержать литиевая батарея, прежде чем ее емкость снизится до определенного заданного значения при определенной системе заряда и разряда. Проще говоря, полный процесс от полной зарядки до полной разрядки и последующей полной зарядки считается одним циклом. После того как литиевая батарея пройдет несколько таких циклов, ее емкость будет постепенно уменьшаться. Когда емкость снижается до 80% от первоначальной, обычно считается, что срок службы батареи подошел к концу.

Различные типы литиевых батарей имеют разный срок службы. Например, обычная троичная литиевая батарея имеет теоретическое число циклов около 800-1200 раз, в то время как число циклов литий-железо-фосфатных батарей относительно велико и достигает примерно 2000-2500 раз. Например, троичная литиевая батарея 18650, используемая компанией Tesla в некоторых своих моделях, в лабораторных условиях примерно после 1000 циклов снижает емкость батареи до 80% от первоначальной емкости. Согласно официальным данным, срок службы литий-железо-фосфатной батареи, используемой компанией BYD в некоторых моделях, при нормальном использовании может составлять более 2000 циклов, что означает, что в идеальных условиях ее емкость снижается до 80% после большего количества циклов заряда и разряда.

Календарная жизнь: учет временного измерения

Помимо срока службы цикла, календарный срок службы также является ключевым фактором при измерении срока службы литиевых батарей. Он обозначает период от даты производства до окончания срока службы батареи, обычно измеряемый в годах и охватывающий различные звенья, такие как хранение на полке, старение, высокая и низкая температура, циркуляция и моделирование рабочего состояния. Даже если литиевая батарея находится в режиме ожидания и не подвергается частой зарядке и разрядке, химические вещества внутри нее со временем претерпевают медленные химические реакции, что приводит к постепенному снижению характеристик батареи. Это и есть срок службы по календарю.

В целом, календарный срок службы литиевых батарей, используемых в автомобилях, составляет 5-10 лет. Если взять в качестве примера какой-нибудь электромобиль, то даже если владелец с каждым годом будет проезжать все меньше и меньше, а автомобиль большую часть времени будет стоять на стоянке, емкость батареи может уменьшиться примерно до 70% через 6-7 лет использования. Это похоже на срок годности продуктов питания. Даже если он не вскрыт, через некоторое время его качество ухудшится. Многие автомобильные компании в своей рекламе делают акцент на циклическом сроке службы батареи, но умалчивают о календарном сроке. Это связано с тем, что объявление календарного срока службы может оказать определенное влияние на продажи новых энергомобилей. Тем не менее, по гарантийному сроку батареи можно приблизительно определить ее календарный срок службы. Например, гарантия на 5 лет или более 100 000 километров пробега, предоставляемая некоторыми автомобильными компаниями, подразумевает, что батарея может поддерживать относительно стабильную работу в этом временном диапазоне.

Раскрыты реальные данные о сроке службы литиевых батарей

Сравнение количества циклов различных типов литиевых батарей

Семейство литиевых батарей огромно, и разные типы литиевых батарей имеют очевидные различия в количестве циклов. Чтобы более наглядно показать эту разницу, мы используем таблицу для сравнения:

Как видно из таблицы, литий-железо-титановая батарея и литий-железо-фосфатная батарея демонстрируют лучшие показатели по количеству циклов, среди которых количество циклов литий-железо-титановой батареи может достигать более 10000 раз, что дает ей большие преимущества в некоторых областях с чрезвычайно высокими требованиями к сроку службы батареи, таких как интеллектуальные сети хранения энергии, железнодорожный транспорт и т.д. Количество циклов литий-железо-фосфатной батареи также может достигать 2000 - 10000 раз, что широко используется в электромобилях, электростанциях для хранения энергии и других сценариях. Количество циклов литиевых батарей на основе оксида кобальта и литиевых батарей на основе оксида марганца относительно невелико. Литий-кобальт-оксидные батареи обычно имеют всего 300-500 циклов, что несколько ограничивает область их применения. В настоящее время они используются в основном в небольших электронных устройствах с жесткими требованиями к объему и весу батареи и относительно низкими требованиями к сроку службы.

Эксплуатационные характеристики при реальном использовании

Теоретическое количество циклов, конечно, важно, но срок службы литиевые батареи в реальном использовании - это то, что нас больше волнует. В реальных условиях эксплуатации на срок службы литиевых батарей влияет совокупность факторов, и часто наблюдается некоторое отличие от теоретического количества циклов.

Если взять в качестве примера электромобили определенной марки, то в лабораторных условиях количество циклов заряда и разряда троичной литиевой батареи может достигать примерно 1500 раз в соответствии со стандартным процессом тестирования. Однако в реальных условиях эксплуатации, когда автомобиль в основном ездит по городским дорогам, часто стартует и останавливается, а также часто использует функцию быстрой зарядки, примерно через 800-1000 циклов заряда и разряда емкость батареи снижается до 80% от первоначальной емкости. Это связано с тем, что частые пуски и остановки приводят к постоянному изменению глубины разряда батареи, а сильное тепло, выделяемое во время быстрой зарядки, ускоряет химические реакции внутри батареи, что приводит к старению батареи и, следовательно, сокращает срок ее службы.

Напротив, когда автомобиль едет в основном по шоссе, условия движения относительно стабильны, а быстрая зарядка используется реже, а медленная - чаще, емкость батареи снизится до 80% после 1200-1300 циклов заряда и разряда. Как видно, такие факторы, как манера вождения, методы зарядки и разрядки, а также температура окружающей среды в реальных условиях эксплуатации, оказывают значительное влияние на срок службы литиевых батарей.

Глубокий анализ: ключевые факторы, влияющие на срок службы литиевых батарей

Количество циклов заряда и разряда

По мере увеличения количества циклов заряда и разряда емкость литиевых батарей постепенно снижается, а внутреннее сопротивление постепенно увеличивается. Это один из ключевых факторов, влияющих на срок службы литиевых батарей. При нормальных условиях заряда и разряда емкость литиевых батарей уменьшается примерно на 0,1%-0,2% за каждый цикл. Когда количество циклов достигнет определенного уровня, уменьшение емкости ускорится, что приведет к тому, что батарея не сможет удовлетворять требованиям нормального использования устройства.

На рисунке хорошо видно, что на начальной стадии цикла емкость батареи уменьшается медленно, а кривая относительно плоская; по мере увеличения количества циклов емкость батареи уменьшается быстрее, а наклон кривой постепенно увеличивается. Когда количество циклов достигает примерно 1000, емкость батареи уменьшается примерно до 80% от первоначальной, что указывает на приближение срока службы батареи.

Значительное влияние температуры

Температура оказывает значительное влияние на срок службы литиевых батарей. Будь то высокая или низкая температура, она негативно влияет на работу литиевых батарей. Если литиевые батареи используются в условиях высокой температуры (например, 45°C и выше), скорость снижения емкости значительно ускоряется, а срок службы значительно сокращается. В условиях высокой температуры скорость химических реакций внутри батареи ускоряется, что приводит к растворению материала положительного электрода, разложению электролита и нестабильности межфазной пленки (SEI), тем самым ускоряя старение батареи. Исследования показали, что при температуре 45°C срок службы литиевых батарей может быть на 30% - 50% короче, чем при комнатной температуре (25°C).

В условиях низкой температуры (например, 0°C и ниже) эффективность зарядки и разрядки литиевых батарей значительно снижается, внутреннее сопротивление батареи увеличивается, а доступная емкость уменьшается. Низкая температура замедляет миграцию ионов лития внутри батареи, что затрудняет нормальное протекание химических реакций в батарее и тем самым влияет на ее работоспособность. При понижении температуры до -10°C доступная емкость литиевой батареи может уменьшиться до примерно 70% при комнатной температуре, что означает, что в условиях низких температур срок службы оборудования с литиевой батареей будет значительно снижен.

Скорость заряда и разряда

Быстрая зарядка и разрядка также негативно сказывается на сроке службы литиевых батарей. Как правило, скорость заряда и разряда литиевых батарей выражается в C, а 1C означает, что батарея полностью заряжается или разряжается в течение 1 часа. Если скорость заряда и разряда слишком высока, например, при использовании режима быстрого заряда более 1С, внутри батареи будет выделяться большое количество тепла, что ускорит старение батареи. При зарядке и разрядке литиевой батареи со скоростью 2C срок службы сократится на 20% - 30% по сравнению с зарядкой и разрядкой со скоростью 0,5C. Это связано с тем, что быстрая зарядка и разрядка усиливает явление поляризации внутри батареи, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления батареи, тем самым влияя на производительность и срок службы батареи.

Другие факторы

Помимо вышеперечисленных основных факторов, на срок службы литиевых батарей влияют такие факторы, как качество самого аккумулятора, методы обслуживания зарядки и вибрация под давлением. Высококачественные литиевые батареи более надежны с точки зрения чистоты материала и процесса производства, и срок их службы зачастую дольше, чем у батарей низкого качества. Правильные методы зарядки и обслуживания, такие как избегание перезарядки и переразрядки, регулярная глубокая зарядка и разрядка, также могут помочь продлить срок службы литиевых батарей. Кроме того, в некоторых особых сценариях применения, таких как удары во время движения электромобилей и столкновения электронных устройств, вибрации под давлением могут привести к повреждению внутренней структуры батареи, тем самым влияя на ее производительность и срок службы.

Как продлить срок службы литиевых батарей: практическое руководство на основе данных

Поняв ключевые факторы, влияющие на срок службы литиевых батарей, мы сможем принять целенаправленные меры по продлению их срока службы и сделать так, чтобы литиевые батареи служили нам лучше.

Контроль количества циклов

Старайтесь сократить количество ненужных циклов заряда и разряда и не допускайте частого разряда аккумулятора перед зарядкой. Во избежание глубокого разряда можно заряжать аккумулятор, когда в нем остается около 20% - 30%. Например, для пользователей смартфонов, когда дисплей питания показывает 25%, начните зарядку, а не ждите, пока зарядка закончится, и автоматически отключитесь перед зарядкой. Это позволит эффективно сократить количество циклов заряда и разряда и тем самым продлить срок службы батареи. В то же время избегайте перезарядки. Когда батарея заполнена, зарядное устройство следует вовремя отключить от сети, чтобы предотвратить повреждение батареи длительным перезарядом. Поддерживая заряд батареи в диапазоне 40% - 80% в течение длительного времени, можно значительно сократить количество циклов зарядки, тем самым продлевая срок службы батареи и позволяя ей сохранять хорошую производительность после многих лет использования.

Поддерживайте подходящую температуру

При использовании и хранении оборудования с литиевыми батареями старайтесь поддерживать подходящую температуру и избегайте длительного использования или хранения в условиях высокой или низкой температуры. Если вам необходимо использовать его в условиях высокой температуры, например, при использовании электромобиля на улице жарким летом, постарайтесь сократить время использования или примите меры по охлаждению, например, ставьте автомобиль в прохладное место во время стоянки, избегая попадания прямых солнечных лучей. В условиях низкой температуры, например, холодной зимой, старайтесь использовать оборудование с литиевыми батареями в теплом помещении или предварительно нагревайте батарею перед использованием. Контроль рабочей температуры литиевых батарей на уровне около 25°C может продлить срок службы батареи на 30% - 50%.

Контроль скорости заряда и разряда

Старайтесь не использовать функцию быстрой зарядки и разрядки, выбирайте соответствующее зарядное оборудование и способ зарядки, а также заряжайте с меньшей скоростью зарядки и разрядки. Для электромобилей, если это не экстренный случай, старайтесь выбирать медленный способ зарядки, например, используйте домашнюю зарядную станцию для зарядки в ночное время. При снижении скорости заряда и разряда с 2C до 0,5C срок службы литиевых батарей может быть увеличен на 20% - 30%. Кроме того, в процессе зарядки обращайте внимание на изменение температуры батареи. Если температура слишком высока, зарядку следует приостановить и продолжить после снижения температуры.

Регулярное обслуживание

Для некоторых крупных литиевых батарей, таких как электромобили и электростанции, регулярное обслуживание очень необходимо. Вы можете регулярно проверять внешний вид батареи на предмет наличия аномальных условий, таких как выпуклости и утечки; использовать профессиональное тестовое оборудование для определения емкости батареи, внутреннего сопротивления и других параметров, чтобы своевременно обнаружить проблемы с батареей. В то же время система управления аккумулятором (BMS) также должна регулярно проверяться и обновляться, чтобы обеспечить ее правильную работу и эффективную защиту аккумулятора. Например, в руководстве по эксплуатации электромобилей определенной марки рекомендуется проводить полную проверку и обслуживание батареи каждые 10 000-20 000 километров пробега, чтобы своевременно обнаружить и устранить возможные проблемы с батареей и продлить срок ее службы.