Як довго працюють літієві батареї?

Літієва батарея: "тривалість життя", яку ми думали, що знаємо

Зі стрімким розвитком науки і техніки, літієві батареї Літієві батареї глибоко інтегровані в усі аспекти нашого життя - від мобільних телефонів і ноутбуків, які ми використовуємо у повсякденному житті, до електромобілів, на яких ми покладаємося під час подорожей. Однак існує багато непорозумінь щодо терміну служби літієвих батарей, серед яких широко поширене твердження, що "літієві батареї мають термін служби 500 зарядів і розрядів". Багато хто вважає, що літієві батареї можна заряджати і розряджати лише 500 разів. Після досягнення цієї кількості батарея розрядиться і її потрібно буде замінити. Виходячи з цього, деякі користувачі чекають, поки батарея майже розрядиться перед зарядкою, щоб продовжити час використання літієвих батарей.

Але це твердження насправді невірне. Так звані "500 зарядів і розрядів" - це не просто кількість зарядів, а повний цикл заряджання і розряджання. Цикл заряду і розряду означає, що вся енергія акумулятора витрачається від повного до порожнього, а потім заряджається від порожнього до повного, що не еквівалентно одноразовій зарядці. Наприклад, у перший день батарея розряджається наполовину, а потім повністю заряджається; на другий день розряджається наполовину, а потім знову повністю заряджається. Таким чином, два заряди разом вважаються циклом заряджання і розряджання. Тому в реальному житті для завершення повного циклу заряджання і розряджання може знадобитися кілька зарядок. Більше того, після завершення 500 циклів заряджання і розряджання літієва батарея не є повністю непридатним для використання, але його ємність зменшиться. Взагалі кажучи, високоякісні акумулятори можуть зберігати 80% своєї початкової ємності після декількох циклів заряджання, і багато літієвих виробів все ще можна нормально використовувати через два-три роки.

Очевидно, що наші попередні уявлення про термін служби літієвих батарей були занадто простими і однобічними. Це нерозуміння не тільки впливає на наші щоденні звички використання літієвих батарей, але й змушує нас відхилятися від справжніх характеристик літієвих батарей. Отже, як правильно вимірювати термін служби літієвих батарей? Які фактори на нього впливають? Далі ми заглибимося в таємницю терміну служби літієвих батарей.

Який "термін служби" літієвих батарей

Перш ніж ми заглибимося в термін служби літієвих батарей, необхідно з'ясувати ключове питання: Що таке "життя" літієвих батарей? Воно не просто вимірюється часом, як людське життя. У світі літієвих батарей термін служби має унікальний вимір.

Тривалість циклу: Врахування кількості циклів заряду та розряду

Термін служби - один з важливих показників для вимірювання терміну служби літієвих батарей. Він означає кількість циклів заряду і розряду, які літієва батарея може витримати до того, як її ємність знизиться до певного заданого значення при певній системі заряду і розряду. Простіше кажучи, повний процес від повного заряду до повного розряду, а потім знову до повного заряду вважається одним циклом. Після того, як літієва батарея пройде кілька таких циклів, її ємність буде поступово зменшуватися. Коли ємність падає до 80% від початкової, зазвичай вважається, що вона досягла кінця терміну служби.

Різні типи літієвих батарей мають різну тривалість циклу. Наприклад, звичайна потрійна літієва батарея має теоретичне число циклів близько 800-1200 разів, тоді як число циклів літієвих залізо-фосфатних батарей відносно високе, досягаючи близько 2000-2500 разів. Наприклад, потрійна літієва батарея 18650, що використовується компанією Tesla в деяких своїх моделях, в лабораторних умовах приблизно після 1000 циклів знизить ємність до 80% від початкової ємності. Згідно з офіційними даними, літієвий залізо-фосфатний акумулятор, який BYD використовує в деяких моделях, може мати термін служби більше 2000 циклів при нормальному використанні, що означає, що в ідеальних умовах його ємність знижується до 80% після більшої кількості циклів заряджання і розряджання.

Календарне життя: врахування часового виміру

На додаток до циклічного терміну служби, календарний термін служби також є ключовим фактором при вимірюванні терміну служби літієвих батарей. Це період від дати виробництва до кінця терміну служби акумулятора, який зазвичай вимірюється в роках і охоплює різні ланки, такі як зберігання, старіння, високі та низькі температури, циркуляція та імітація робочого стану. Навіть якщо літієва батарея простоює і не часто заряджається і розряджається, хімічні речовини всередині неї з часом піддаються повільним хімічним реакціям, що призводить до поступового зниження продуктивності батареї. Це і є календарний термін служби.

Загалом, календарний термін служби літієвих батарей, що використовуються в автомобілях, становить 5-10 років. На прикладі конкретного електромобіля, навіть якщо власник щороку проїжджає менший пробіг, а автомобіль більшу частину часу стоїть на стоянці, ємність батареї може знизитися приблизно до 70% після 6-7 років використання. Це так само, як термін придатності продуктів харчування. Навіть якщо вона не відкрита, її якість погіршиться через певний проміжок часу. Багато автомобільних компаній, як правило, підкреслюють у своїй рекламі термін служби батареї, але залишають за кадром календарний термін служби. Це пов'язано з тим, що оголошення календарного терміну служби може мати певний вплив на продажі нових енергетичних транспортних засобів. Однак з гарантійного терміну експлуатації акумуляторної батареї ми все ж можемо приблизно визначити її календарний термін служби. Наприклад, гарантійні зобов'язання в 5 років або понад 100 000 кілометрів пробігу, які дають деякі автомобільні компанії, означають, що батарея може підтримувати відносно стабільну продуктивність в межах цього часового діапазону.

Розкрито реальні дані про термін служби літієвих батарей

Порівняння кількості циклів різних типів літієвих батарей

Сімейство літієвих батарей величезне, і різні типи літієвих батарей мають очевидні відмінності в кількості циклів. Для того, щоб показати цю різницю більш наочно, ми використовуємо таблицю для порівняння:

Як видно з таблиці, літій-залізо-титанові та літій-залізо-фосфатні акумулятори мають кращі показники за кількістю циклів, серед яких кількість циклів літій-залізо-титанової батареї може досягати більше 10000 разів, що дає їй великі переваги в деяких сферах з надзвичайно високими вимогами до терміну служби акумулятора, таких як зберігання енергії в розумних мережах, залізничні перевезення тощо. Кількість циклів літій-залізо-фосфатної батареї також може досягати 2000 - 10000 разів, що широко використовується в електромобілях, електростанціях для зберігання енергії та інших сценаріях. Кількість циклів літій-кобальт-оксидних і літій-марганцево-оксидних акумуляторів відносно невелика. Літій-кобальт-оксидні батареї зазвичай мають лише 300-500 циклів, що певною мірою обмежує діапазон їх застосування. В даний час він в основному використовується в деяких невеликих електронних пристроях із суворими вимогами до об'єму і ваги акумулятора і відносно низькими вимогами до тривалості циклу.

Термін служби в реальних умовах експлуатації

Теоретична кількість циклів, безумовно, важлива, але термін служби літієві батареї в реальному використанні - це те, що нас більше турбує. При реальному використанні на термін служби літієвих батарей впливає комбінація факторів, і часто спостерігається певна відмінність від теоретичної кількості циклів.

Якщо взяти для прикладу певну марку електромобіля, то кількість циклів потрійної літієвої батареї, яку він перевозить, може досягати близько 1500 разів у лабораторних умовах відповідно до стандартного процесу випробування на заряд і розряд. Однак у реальному використанні, коли автомобіль переважно їздить міськими дорогами, часто стартує і зупиняється, а також часто використовує функцію швидкої зарядки, після приблизно 800-1000 циклів заряджання і розряджання ємність акумулятора знижується до 80% від початкової ємності. Це пов'язано з тим, що часті запуски і зупинки призводять до того, що глибина розряду акумулятора постійно змінюється, а висока температура, що утворюється під час швидкої зарядки, прискорює хімічну реакцію всередині акумулятора, що призводить до старіння акумулятора і, таким чином, до скорочення терміну служби акумулятора.

Навпаки, коли автомобіль в основному їздить по шосе, умови водіння відносно стабільні, а швидка зарядка використовується менше, а повільна зарядка - більше, ємність акумулятора знизиться до 80% після 1200-1300 циклів заряджання і розряджання. Видно, що такі фактори, як звички водіння, методи заряджання та розряджання, а також температура навколишнього середовища в реальних умовах експлуатації матимуть значний вплив на фактичний термін служби літієвих батарей.

Глибокий аналіз: ключові фактори, що впливають на термін служби літієвих батарей

Кількість циклів заряду і розряду

Зі збільшенням кількості циклів заряджання та розряджання ємність літієвих батарей поступово зменшується, а внутрішній опір поступово зростає. Це один з ключових факторів, що впливають на термін служби літієвих батарей. За нормальних умов заряджання та розряджання ємність літієвих батарей зменшується приблизно на 0,1%-0,2% за кожен цикл. Коли кількість циклів досягне певного рівня, зниження ємності прискориться, що призведе до того, що батарея не зможе відповідати вимогам нормального використання пристрою.

На рисунку чітко видно, що на початковій стадії циклу ємність батареї зменшується повільно і крива є відносно плоскою; зі збільшенням кількості циклів ємність батареї зменшується швидше, а нахил кривої поступово збільшується. Коли кількість циклів досягає приблизно 1 000, ємність акумулятора зменшилася приблизно до 80% від початкової ємності, що свідчить про те, що акумулятор наближається до кінця свого терміну служби.

Значний вплив температури

Температура має значний вплив на термін служби літієвих батарей. Незалежно від того, чи це високотемпературне середовище, чи низькотемпературне, воно матиме негативний вплив на продуктивність літієвих батарей. Коли літієві батареї використовуються в умовах високої температури (наприклад, 45°C і вище), швидкість розряду значно прискорюється, а термін служби значно скорочується. В умовах високої температури швидкість хімічної реакції всередині акумулятора прискорюється, що призводить до розчинення матеріалу позитивного електрода, розкладання електроліту і нестабільності інтерфейсної плівки (SEI), тим самим прискорюючи старіння акумулятора. Дослідження показали, що при 45°C термін служби літієвих батарей може бути на 30% - 50% коротшим, ніж при кімнатній температурі (25°C).

За низьких температур (наприклад, 0°C і нижче) ефективність заряджання та розряджання літієвих батарей значно знижується, внутрішній опір батареї збільшується, а доступна ємність зменшується. Низька температура сповільнює міграцію іонів літію всередині акумулятора, ускладнюючи нормальне протікання хімічної реакції в акумуляторі, тим самим впливаючи на продуктивність акумулятора. Коли температура опускається до -10°C, доступна ємність літієвої батареї може знизитися приблизно до 70% при кімнатній температурі, а це означає, що в умовах низьких температур витривалість обладнання на літієвих батареях значно зменшиться.

Швидкість заряду та розряду

Швидка зарядка і розрядка також негативно впливає на термін служби літієвих батарей. Взагалі кажучи, швидкість заряду і розряду літієвих батарей виражається в С, а 1С означає, що батарея повністю заряджається або розряджається протягом 1 години. Якщо швидкість заряду і розряду занадто висока, наприклад, якщо використовується режим швидкого заряду, що перевищує 1С, всередині акумулятора буде генеруватися велика кількість тепла, що прискорює старіння акумулятора. Коли літієвий акумулятор заряджається і розряджається зі швидкістю 2°C, його життєвий цикл скорочується на 20% - 30% порівняно із заряджанням і розряджанням зі швидкістю 0,5°C. Це пов'язано з тим, що швидка зарядка і розрядка посилює явище поляризації всередині акумулятора, що призводить до збільшення внутрішнього опору акумулятора, тим самим впливаючи на продуктивність і термін служби акумулятора.

Інші фактори

На додаток до вищезазначених основних факторів, на термін служби літієвих батарей також впливають такі фактори, як якість самої батареї, методи обслуговування зарядки та вібрація під тиском. Високоякісні літієві батареї є більш безпечними з точки зору чистоти матеріалу та процесу виробництва, а їхній термін служби часто довший, ніж у батарей низької якості. Правильні методи заряджання та обслуговування, такі як уникнення перезаряджання та перерозряджання, а також регулярне глибоке заряджання та розряджання, також можуть допомогти продовжити термін служби літієвих акумуляторів. Крім того, в деяких особливих сценаріях застосування, таких як удари під час руху електромобілів і зіткнення електронних пристроїв, вібрації під тиском можуть спричинити пошкодження внутрішньої структури акумулятора, тим самим впливаючи на продуктивність і термін служби акумулятора.

Як продовжити термін служби літієвих батарей: практичне керівництво на основі даних

Зрозумівши ключові фактори, що впливають на термін служби літієвих батарей, ми можемо вжити цілеспрямованих заходів, щоб продовжити термін їхньої служби і зробити так, щоб літієві батареї служили нам краще.

Контролюйте кількість циклів

Намагайтеся зменшити кількість непотрібних циклів заряджання і розряджання та уникайте частого виснаження акумулятора перед заряджанням. Щоб уникнути глибокого розрядження, можна заряджати, коли залишається приблизно 20% - 30%. Наприклад, для користувачів смартфонів, коли індикатор заряду показує 25%, почніть заряджати, а не чекати, поки акумулятор розрядиться і автоматично вимкнеться перед заряджанням. Це може ефективно зменшити кількість циклів заряджання та розряджання і, таким чином, продовжити термін служби акумулятора. У той же час, уникайте перезарядки. Коли акумулятор повністю заряджений, зарядний пристрій слід вчасно відключити від мережі, щоб запобігти пошкодженню акумулятора тривалим перезарядженням. Тривале підтримання заряду акумулятора в діапазоні 40% - 80% може значно зменшити кількість циклів заряджання акумулятора, тим самим подовживши термін його служби і дозволивши акумулятору зберігати хорошу продуктивність після багатьох років використання.

Підтримуйте відповідну температуру

При використанні та зберіганні обладнання з літієвими батареями намагайтеся підтримувати відповідну температуру та уникати тривалого використання або зберігання в умовах високих або низьких температур. Якщо вам потрібно використовувати його в умовах високої температури, наприклад, при експлуатації електромобіля на відкритому повітрі в спекотне літо, постарайтеся скоротити час використання або вжити заходів з охолодження, наприклад, припаркувати транспортний засіб у прохолодному місці, уникаючи прямих сонячних променів. При низьких температурах, наприклад, холодною зимою, намагайтеся використовувати обладнання з літієвими батареями в теплому приміщенні або попередньо підігрівайте батарею перед використанням. Контроль робочої температури літієвих батарей на рівні близько 25°C може продовжити термін служби батареї на 30% - 50%.

Контролюйте швидкість заряду та розряду

Намагайтеся уникати використання функції швидкого заряджання та розряджання, обирайте відповідне зарядне обладнання та спосіб заряджання, а також заряджайте з меншою швидкістю заряджання та розряджання. Для електромобілів, якщо це не екстрена ситуація, спробуйте вибрати повільний метод зарядки, наприклад, використовуйте домашню зарядну станцію для нічної зарядки. Коли швидкість заряду і розряду знижується з 2C до 0,5C, термін служби літієвих батарей може бути збільшений на 20% - 30%. Крім того, під час процесу заряджання звертайте увагу на зміну температури акумулятора. Якщо температура занадто висока, зарядку слід призупинити і продовжити її після зниження температури.

Регулярне технічне обслуговування

Для деяких великих літієвих акумуляторів, таких як електромобілі та електростанції для зберігання енергії, регулярне технічне обслуговування дуже необхідне. Ви можете регулярно перевіряти зовнішній вигляд акумулятора, щоб побачити, чи немає ненормальних умов, таких як випинання і витік; використовувати професійне випробувальне обладнання для виявлення ємності акумулятора, внутрішнього опору та інших параметрів, щоб оперативно виявити проблеми з акумулятором. Водночас систему управління акумулятором (BMS) також слід регулярно перевіряти та оновлювати, щоб забезпечити її належну роботу та ефективний захист акумулятора. Наприклад, інструкція з експлуатації певної марки електромобілів рекомендує проводити повну перевірку та обслуговування акумулятора кожні 10 000-20 000 кілометрів пробігу, щоб вчасно виявити та вирішити потенційні проблеми з акумулятором і продовжити термін його служби.