Kako dolgo zdržijo litijeve baterije?

Litijeva baterija: "življenjska doba", za katero smo mislili, da jo poznamo

S hitrim razvojem znanosti in tehnologije, litijeve baterije so se močno vključili v vse vidike našega življenja, od mobilnih telefonov in prenosnih računalnikov, ki jih uporabljamo v vsakdanjem življenju, do električnih avtomobilov, ki jih uporabljamo za potovanja. Vendar obstaja veliko napačnih razumevanj o življenjski dobi litijevih baterij, med katerimi je razširjena trditev, da imajo "litijeve baterije življenjsko dobo 500 polnjenj in praznjenj". Veliko ljudi meni, da je mogoče litijeve baterije napolniti in izprazniti le 500-krat. Ko je ta številka dosežena, baterija umre in jo je treba zamenjati. Na podlagi tega razumevanja nekateri uporabniki pred polnjenjem počakajo, dokler se baterija skoraj ne izprazni, da bi podaljšali čas uporabe litijevih baterij.

Toda ta trditev je dejansko napačna. Tako imenovanih "500 polnjenj in praznjenj" se ne nanaša le na število polnjenj, temveč na celoten cikel polnjenja in praznjenja. Cikel polnjenja in praznjenja pomeni, da se vsa moč baterije porabi od polne do prazne in nato napolni od prazne do polne, kar ni enakovredno enkratnemu polnjenju. Na primer, prvi dan se porabi polovica energije baterije in nato popolnoma napolni, drugi dan se porabi polovica energije in ponovno popolnoma napolni. Na ta način se obe polnjenji skupaj štejeta za cikel polnjenja in praznjenja. Zato je v resničnem življenju za dokončanje celotnega cikla polnjenja in praznjenja lahko potrebnih več polnjenj. Poleg tega se po zaključku 500 ciklov polnjenja in praznjenja litijeva baterija ni popolnoma neuporaben, vendar se njegova zmogljivost zmanjša. Na splošno lahko visokokakovostne baterije po več ciklih polnjenja še vedno ohranijo 80% svoje prvotne zmogljivosti in veliko izdelkov z litijevim napajanjem je mogoče normalno uporabljati tudi po dveh ali treh letih.

Očitno je bilo naše prejšnje razumevanje življenjske dobe litijevih baterij preveč preprosto in enostransko. To napačno razumevanje ne vpliva le na naše vsakodnevne navade pri uporabi opreme z litijevimi baterijami, temveč tudi na to, da odstopamo od resničnega delovanja litijevih baterij. Kako torej pravilno izmeriti življenjsko dobo litijevih baterij? Kateri dejavniki vplivajo nanjo? Nato se poglobimo v skrivnost življenjske dobe litijevih baterij.

Kakšna je življenjska doba litijevih baterij

Preden se poglobimo v življenjsko dobo litijevih baterij, moramo pojasniti ključno vprašanje: Kaj je "življenjska doba" litijevih baterij? Ne meri se preprosto s časom kot človeško življenje. V svetu litijevih baterij ima njihova življenjska doba edinstveno dimenzijo merjenja.

Življenjska doba cikla: Upoštevanje števila ciklov polnjenja in praznjenja

Življenjska doba cikla je eden od pomembnih kazalnikov za merjenje življenjske dobe litijevih baterij. Pomeni število ciklov polnjenja in praznjenja, ki jih lahko prenese litijeva baterija, preden se njena zmogljivost zmanjša na določeno vrednost pri določenem sistemu polnjenja in praznjenja. Preprosto povedano, celoten postopek od polne napolnjenosti do polne izpraznitve in nato ponovno polne napolnjenosti se šteje kot en cikel. Ko litijeva baterija opravi več takšnih ciklov, se njena zmogljivost postopoma zmanjša. Ko se zmogljivost zmanjša na 80% začetne zmogljivosti, se običajno šteje, da je dosegla konec življenjske dobe cikla.

Različne vrste litijevih baterij imajo različno življenjsko dobo. Na primer, običajna ternarna litijeva baterija ima teoretično število ciklov približno 800-1200, medtem ko je število ciklov litijeve železove fosfatne baterije razmeroma visoko in doseže približno 2000-2500. Na primer pri ternarni litijevi bateriji 18650, ki jo Tesla uporablja v nekaterih svojih modelih, se v laboratorijskih pogojih po približno 1000 ciklih zmogljivost baterije zmanjša na 80% začetne zmogljivosti. Po uradnih podatkih ima lahko litij-železo-fosfatna baterija, ki jo BYD uporablja v nekaterih modelih, pri normalni uporabi življenjsko dobo več kot 2000 ciklov, kar pomeni, da se v idealnih pogojih njena zmogljivost po več ciklih polnjenja in praznjenja zmanjša na 80%.

Koledar življenja: upoštevanje časovne dimenzije

Poleg življenjske dobe cikla je ključni dejavnik pri merjenju življenjske dobe litijevih baterij tudi koledarska življenjska doba. Nanaša se na obdobje od datuma proizvodnje do konca življenjske dobe baterije, ki se običajno meri v letih in zajema različne povezave, kot so odlaganje na police, staranje, visoke in nizke temperature, kroženje in simulacija delovnih pogojev. Tudi če je litijeva baterija v mirovanju in se ne polni in praznjenje ne izvaja pogosto, v kemičnih snoveh v njej sčasoma potekajo počasne kemične reakcije, zaradi česar se zmogljivost baterije postopoma zmanjšuje. To je koledarska življenjska doba pri delu.

Na splošno je koledarska življenjska doba litijevih baterij, ki se uporabljajo v avtomobilih, 5-10 let. Če kot primer vzamemo določen električni avtomobil, se lahko zmogljivost baterije po 6-7 letih uporabe zmanjša na približno 70%, tudi če lastnik vsako leto prevozi manj kilometrov in je vozilo večino časa parkirano. To je tako kot rok trajanja hrane. Tudi če je neodprta, se njena kakovost po določenem času poslabša. Mnoga avtomobilska podjetja v svojih objavah običajno poudarjajo življenjsko dobo cikla baterije, koledarsko življenjsko dobo pa pridržujejo. Razlog za to je, da lahko objava koledarske življenjske dobe nekoliko vpliva na prodajo novih energetskih vozil. Vendar pa lahko iz garancijske dobe akumulatorja še vedno približno sklepamo na njegovo koledarsko življenjsko dobo. Na primer, garancijska zaveza 5 let ali več kot 100.000 kilometrov, ki jo dajejo nekatera avtomobilska podjetja, pomeni, da lahko akumulator v tem časovnem razponu ohrani razmeroma stabilno delovanje.

Razkriti so resnični podatki o življenjski dobi litijeve baterije

Primerjava števila ciklov različnih vrst litijevih baterij

Družina litijevih baterij je velika, različne vrste litijevih baterij pa se očitno razlikujejo po številu ciklov. Da bi te razlike prikazali bolj intuitivno, za primerjavo uporabimo tabelo:

Kot je razvidno iz preglednice, sta litij-železov titanatni akumulator in litij-železov fosfatni akumulator boljša glede števila ciklov, med katerimi lahko število ciklov litij-železovega titanatnega akumulatorja doseže več kot 10000-krat, zaradi česar ima velike prednosti na nekaterih področjih z izredno visokimi zahtevami glede življenjske dobe akumulatorja, kot so shranjevanje energije v pametnih omrežjih, železniški promet itd. Število ciklov litij-železo-fosfatne baterije lahko doseže tudi 2000- do 10000-krat, kar se pogosto uporablja v električnih vozilih, elektrarnah za shranjevanje energije in drugih scenarijih. Število ciklov baterij iz litijevega kobaltovega oksida in litijevega manganovega oksida je razmeroma majhno. Baterije iz litijevega kobaltovega oksida imajo običajno le 300-500 ciklov, kar do določene mere omejuje njihovo področje uporabe. Trenutno se uporabljajo predvsem v nekaterih majhnih elektronskih napravah s strogimi zahtevami glede prostornine in teže baterije ter razmeroma nizkimi zahtevami glede življenjske dobe cikla.

Življenjska učinkovitost pri dejanski uporabi

Teoretično število ciklov je vsekakor pomembno, vendar je življenjska doba litijeve baterije pri dejanski uporabi, kar nas bolj skrbi. Pri dejanski uporabi na življenjsko dobo litijevih baterij vpliva kombinacija dejavnikov, zato pogosto pride do določene razlike od teoretičnega števila ciklov.

Če za primer vzamemo določeno znamko električnih vozil, lahko število ciklov ternarne litijeve baterije, ki jo nosi, v laboratorijskem okolju v skladu s standardnim preskusnim postopkom polnjenja in praznjenja doseže približno 1500-krat. Vendar se pri dejanski uporabi, ko se vozilo večinoma vozi po mestnih cestah, se pogosto začenja in ustavlja ter pogosto uporablja funkcijo hitrega polnjenja, po približno 800-1000 ciklih polnjenja in praznjenja zmogljivost baterije zmanjša na 80% začetne zmogljivosti. Pogosto zaganjanje in ustavljanje namreč povzroči, da se globina praznjenja baterije nenehno spreminja, visoka toplota, ki nastaja med hitrim polnjenjem, pa pospeši kemično reakcijo v bateriji, zaradi česar se baterija stara in s tem skrajša življenjsko dobo baterije.

Nasprotno pa, če se avtomobil večinoma vozi po avtocesti, so vozni pogoji razmeroma stabilni in se hitro polnjenje uporablja manj, počasno polnjenje pa bolj, se zmogljivost baterije po 1200-1300 ciklih polnjenja in praznjenja zmanjša na 80%. Videti je, da bodo dejavniki, kot so vozne navade, načini polnjenja in praznjenja ter temperatura okolice v dejanskih scenarijih uporabe, pomembno vplivali na dejansko življenjsko dobo litijevih baterij.

Poglobljena analiza: ključni dejavniki, ki vplivajo na življenjsko dobo litijevih baterij

Število ciklov polnjenja in praznjenja

Z večanjem števila ciklov polnjenja in praznjenja se zmogljivost litijevih baterij postopoma zmanjšuje, notranja upornost pa se postopoma povečuje. To je eden ključnih dejavnikov, ki vplivajo na življenjsko dobo litijevih baterij. V normalnih pogojih polnjenja in praznjenja se zmogljivost litijevih baterij zmanjša za približno 0,1%-0,2% na vsak cikel. Ko število ciklov doseže določeno raven, se upadanje zmogljivosti pospeši, zaradi česar baterija ne more izpolnjevati zahtev običajne uporabe naprave.

Slika jasno kaže, da v začetni fazi cikla zmogljivost baterije upada počasi in da je krivulja razmeroma ravna; s povečevanjem števila ciklov zmogljivost baterije upada hitreje, naklon krivulje pa se postopoma povečuje. Ko število ciklov doseže približno 1 000, se zmogljivost baterije zmanjša na približno 80% začetne zmogljivosti, kar pomeni, da se baterija približuje koncu svoje življenjske dobe.

Pomemben vpliv temperature

Temperatura pomembno vpliva na življenjsko dobo litijevih baterij. Ne glede na to, ali gre za okolje z visoko ali nizko temperaturo, to negativno vpliva na delovanje litijevih baterij. Če se litijeve baterije uporabljajo v okolju z visoko temperaturo (npr. 45 °C in več), se njihova zmogljivost bistveno pospeši, življenjska doba cikla pa se močno skrajša. Pri visoki temperaturi se pospeši hitrost kemičnih reakcij v bateriji, kar povzroči raztapljanje materiala pozitivne elektrode, razgradnjo elektrolita in nestabilnost vmesniškega filma (SEI) ter s tem pospeši staranje baterije. Študije so pokazale, da je pri temperaturi 45 °C življenjska doba litijevih baterij lahko za 30% - 50% krajša kot pri sobni temperaturi (25 °C).

V okoljih z nizko temperaturo (npr. 0 °C in manj) se učinkovitost polnjenja in praznjenja litijevih baterij znatno zmanjša, poveča se notranja upornost baterije, razpoložljiva zmogljivost pa se zmanjša. Nizka temperatura upočasni migracijo litijevih ionov znotraj baterije, kar otežuje normalen potek kemične reakcije v bateriji in s tem vpliva na zmogljivost baterije. Ko temperatura pade na -10 °C, se lahko razpoložljiva zmogljivost litijeve baterije zmanjša na približno 70% pri sobni temperaturi, kar pomeni, da se bo v okoljih z nizko temperaturo vzdržljivost opreme z litijevo baterijo močno zmanjšala.

Hitrost polnjenja in praznjenja

Hitro polnjenje in praznjenje prav tako negativno vpliva na življenjsko dobo litijevih baterij. Na splošno se hitrost polnjenja in praznjenja litijevih baterij izraža v C, 1C pa pomeni, da se baterija popolnoma napolni ali izprazni v 1 uri. Če je hitrost polnjenja in praznjenja prehitra, na primer pri uporabi načina hitrega polnjenja, ki je večji od 1C, se v bateriji ustvarja velika količina toplote, kar pospešuje staranje baterije. Če se litijeva baterija polni in prazni s hitrostjo 2C, se življenjska doba skrajša za 20% - 30% v primerjavi s polnjenjem in praznjenjem s hitrostjo 0,5C. Hitro polnjenje in praznjenje namreč okrepi pojav polarizacije v bateriji, kar povzroči povečanje notranjega upora baterije in s tem vpliva na zmogljivost in življenjsko dobo baterije.

Drugi dejavniki

Na življenjsko dobo litijevih baterij poleg zgoraj navedenih glavnih dejavnikov vplivajo tudi dejavniki, kot so kakovost same baterije, načini vzdrževanja polnjenja in vibracije zaradi pritiska. Visokokakovostne litijeve baterije so varnejše glede čistosti materiala in proizvodnega postopka, njihova življenjska doba pa je pogosto daljša od življenjske dobe baterij slabe kakovosti. K podaljšanju življenjske dobe litijevih baterij lahko pripomorejo tudi pravilne metode polnjenja in vzdrževanja, kot so izogibanje pretiranemu polnjenju in praznjenju ter redno globoko polnjenje in praznjenje. Poleg tega lahko v nekaterih posebnih scenarijih uporabe, kot so udarci med vožnjo električnih vozil in trki elektronskih naprav, vibracije zaradi pritiska povzročijo poškodbe notranje strukture baterije, kar vpliva na zmogljivost in življenjsko dobo baterije.

Kako podaljšati življenjsko dobo litijevih baterij: praktični vodnik na podlagi podatkov

Ko razumemo ključne dejavnike, ki vplivajo na življenjsko dobo litijevih baterij, lahko sprejmemo ciljno usmerjene ukrepe za podaljšanje njihove življenjske dobe in omogočimo, da nam litijeve baterije bolje služijo.

Nadzor števila ciklov

Poskušajte zmanjšati število nepotrebnih ciklov polnjenja in praznjenja ter se izogibajte pogostemu praznjenju baterije pred polnjenjem. Da bi se izognili globokemu praznjenju, lahko baterijo polnite, ko je v njej še približno 20% - 30%. Na primer, za uporabnike pametnih telefonov, ko se na zaslonu za napajanje prikaže 25%, začnite polniti, namesto da čakate, da se napajanje izčrpa in se pred polnjenjem samodejno izklopi. S tem lahko učinkovito zmanjšate število ciklov polnjenja in praznjenja ter tako podaljšate življenjsko dobo baterije. Hkrati se izognite pretiranemu polnjenju. Ko je baterija polna, je treba polnilnik pravočasno odklopiti iz električnega omrežja, da se zaradi dolgotrajnega prekomernega polnjenja ne poškoduje baterija. Dolgotrajno ohranjanje napolnjenosti baterije v območju 40% - 80% lahko znatno zmanjša število ciklov baterije, s čimer se podaljša življenjska doba baterije in omogoči, da baterija ohrani dobro zmogljivost tudi po več letih uporabe.

Vzdrževanje primerne temperature

Pri uporabi in shranjevanju opreme z litijevimi baterijami poskušajte vzdrževati primerno temperaturo in se izogibajte dolgotrajni uporabi ali shranjevanju v okoljih z visoko ali nizko temperaturo. Če jo morate uporabljati v okolju z visoko temperaturo, kot je uporaba električnega avtomobila na prostem v vročem poletju, morate poskusiti skrajšati čas uporabe ali sprejeti ukrepe za hlajenje, kot je parkiranje vozila na hladnem mestu med parkiranjem, izogibanje neposredni sončni svetlobi. V okolju z nizkimi temperaturami, na primer v mrzli zimi, poskušajte opremo z litijevimi baterijami uporabljati v toplem okolju ali pa baterijo pred uporabo segrejte. Če nadzorujete delovno temperaturo litijevih baterij na približno 25 °C, lahko podaljšate življenjski cikel baterije za 30% - 50%.

Nadzor hitrosti polnjenja in praznjenja

Izogibajte se uporabi funkcije hitrega polnjenja in praznjenja, izberite ustrezno opremo za polnjenje in način polnjenja ter polnite z nižjo hitrostjo polnjenja in praznjenja. Za električna vozila, če ne gre za nujne primere, poskusite izbrati počasen način polnjenja, na primer uporabo domače polnilne postaje za nočno polnjenje. Če hitrost polnjenja in praznjenja zmanjšate z 2C na 0,5C, lahko življenjsko dobo litijevih baterij podaljšate za 20% - 30%. Poleg tega bodite med postopkom polnjenja pozorni na temperaturne spremembe baterije. Če je temperatura previsoka, je treba polnjenje prekiniti, polnjenje pa nadaljevati, ko se temperatura zniža.

Redno vzdrževanje

Pri nekaterih velikih litijevih baterijah, kot so električna vozila in elektrarne za shranjevanje energije, je redno vzdrževanje zelo potrebno. Redno lahko preverjate videz baterije in ugotavljate, ali obstajajo neobičajna stanja, kot sta izbočenost in puščanje; uporabite profesionalno testno opremo za ugotavljanje zmogljivosti baterije, notranje upornosti in drugih parametrov, da takoj odkrijete težave z baterijo. Hkrati je treba redno pregledovati in posodabljati tudi sistem za upravljanje akumulatorja (BMS), da lahko pravilno deluje in učinkovito ščiti akumulator. Na primer, uporabniški priročnik določene znamke električnih vozil priporoča, da je treba baterijo v celoti pregledati in vzdrževati vsakih 10.000 do 20.000 kilometrov, da se lahko pravočasno odkrijejo in odpravijo morebitne težave z baterijo ter podaljša njena življenjska doba.