Радиолоцман Электроника en
расширенный поиск +
  
Срез:Электронные компоненты

12-10-2016

Как продлить жизнь литиевым аккумуляторам

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2016

Battery University

Выясним, каковы причины старения литий-ионного аккумулятора, и что может сделать пользователь, чтобы продлить его жизнь

Исследователи батарей настолько фокусируются на литиевых аккумуляторах, что кто-то может вообразить, что будущее исключительно за ними. Для оптимизма, действительно, есть веские причины, поскольку литий-ионные аккумуляторы во многих отношениях превосходят другие типы. Количество устройств растет, и они вторгаются на рынки, которые ранее прочно удерживались свинцово-кислотными аккумуляторами. Многие спутники в качестве источника питания также используют литий-ионные аккумуляторы.

Литий-ионные аккумуляторы еще не достигли полной зрелости, и работы по улучшению их характеристик продолжаются. Очевиден значительный прогресс в долговечности и безопасности, в то время как емкость растет постепенно. Сегодня литий-ионный аккумуляторы соответствуют ожиданиям большинства потребительских устройств, однако аккумуляторы для электротранспорта нуждаются в дальнейшем совершенствовании, прежде чем этот источник питания станет общепринятой нормой.

Каковы причины старения литий-ионного аккумулятора?

Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на перемещении ионов между положительным и отрицательным электродами. В теории такой механизм должен работать вечно, но циклы заряда-разряда, повышенная температура и старение со временем ухудшают рабочие характеристики. Производители придерживаются осторожного подхода и для большинства потребительских продуктов указывают срок службы литий-ионных аккумуляторов между 300 и 500 циклами заряда/разряда.

Однако оценку срока службы аккумулятора на основании подсчета циклов нельзя считать бесспорной, поскольку глубина разряда может варьироваться, и четких стандартов, определяющих, что представляет собой цикл, не существует (см. [1]). Вместо подсчета циклов некоторые производители устройств предлагают заменять аккумулятор, ориентируясь на маркировку даты выпуска, но этот метод не принимает во внимание интенсивность его использования. Аккумулятор может выйти из строя раньше отведенного времени из-за активного использования или неблагоприятных температурных условий. Тем не менее, большинство аккумуляторов служит значительно дольше, чем показывает маркировка даты.

Характеристики аккумулятора определяются емкостью – основным показателем его здоровья. Внутреннее сопротивление и саморазряд тоже играют роль, но не столь значимую для предсказания конца срока службы современного литий-ионного аккумулятора.

Как продлить жизнь литиевым аккумуляторам
Рисунок 1. Снижение емкости как следствие циклической работы. Одиннадцать
новых литий-ионных аккумуляторов были протестированы
анализатором аккумуляторов Cadex C7400. Начальная емкость всех
батарей составляла 88–94%, и уменьшилась до 73–84% после
250 циклов полного разряда.

Рисунок 1 иллюстрирует снижение емкости 11 литий-ионных аккумуляторов, протестированных в лаборатории Cadex. Пакетные элементы для мобильных телефонов емкостью 1500 мА×ч первоначально были заряжены током 1500 мА (1C) до напряжения 4.2 В на элемент, после чего подзаряжались до полного насыщения током 75 мА (0.05C). Затем током 1500 мА аккумуляторы были разряжены до 3 В на элемент, и цикл повторялся. Потеря емкости происходила равномерно на протяжении всех 250 циклов, и поведение аккумуляторов соответствовало ожиданиям.

Несмотря на то, что в течение первого года службы аккумулятор должен обеспечивать 100-процентную емкость, совершенно обычной является ситуация, когда фактическая емкость оказывается ниже указанной, и время хранения на складе может вносить в эту потерю свой вклад. В дополнение, производители склонны давать завышенную оценку своим аккумуляторам, заведомо зная, что очень немногие потребители будут делать выборочные проверки и предъявлять претензии, если емкость окажется низкой. Не обладающие потребительским опытом пользователи могут приобрести аккумуляторы с пониженной емкостью.

Аналогично тому, как механическое устройство изнашивается быстрее при интенсивном использовании, глубина разряда определяет количество циклов перезаряда аккумулятора. Чем меньше глубина разряда, тем дольше прослужит аккумулятор. По возможности следует избегать полных разрядок и чаще заряжать аккумулятор между использованиями. Неполный разряд полезен для литий-ионного аккумулятора. У него отсутствует эффект памяти, поэтому циклы полного разряда для продления жизни аккумулятору не нужны. Исключением может быть периодическая калибровка измерителя уровня заряда на «умной батарее» или интеллектуальном устройстве.

В Таблице 1 показана зависимость от глубины разряда количества циклов перезаряда, за которые емкость аккумулятора упадет до 70 процентов. Все остальные параметры, такие как напряжение заряда, температура и общие токи по умолчанию установлены в средние значения.

Таблица 1. Зависимость количества циклов перезаряда
от глубины разряда. Неполный разряд продлевает
срок службы аккумулятора. Повышенная
температура и высокие токи также оказывают
негативное влияние на ресурс аккумулятора.
Глубина разряда Циклы разряда
100% 300 … 500
50% 1,200 … 1,500
25% 2,000 … 2,500
10% 3,750 … 4,700

Высокая температура, так же как и высокое напряжение заряда, оказывают неблагоприятное воздействие на состояние литий-ионного аккумулятора. Для большинства литий-ионных аккумуляторов температура окружающей среды считается повышенной начиная с 30 °C, а напряжение более 4.1 В на элемент рассматривается как высокое. Воздействие на аккумулятор высокой температуры и длительное хранение в полностью разряженном состоянии могут иметь более губительные последствия, чем циклы заряда и разряда. Таблица 2 иллюстрирует зависимость потери емкости от температуры и уровня заряда.

Таблица 2. Оценочные значения восстанавливаемой емкости после
хранения литий-ионного аккумулятора в течение одного
года при различных температурах. Повышенная температура
ускоряет потерю емкости. Не все типы литий-ионных

аккумуляторов ведут себя так же.
Температура Заряд 40% Заряд 100%
0 °C 98% 94%
25 °C 96% 80%
40 °C 85% 65%
60 °C 75% 60%
(после 3-х мес.)

Большинство литий-ионных аккумуляторов заряжается до 4.2 В на элемент, и каждое снижение этого напряжения на 0.1 В удваивает их ресурс. Например, литий-ионный элемент, заряжаемый до 4.2 В, обычно выдерживает 300…500 циклов перезаряда. Если же он заряжается только до 4.1 В, срок службы может быть продлен до 600…1000 циклов, 4.0 В должны обеспечить 1200…2000, а 3.9 В – 2400…4000 циклов.

Негативной стороной такого подхода является уменьшение количества заряда, запасаемого в аккумуляторе. Снижение напряжения заряда на 70 мВ уменьшает общую емкость на 10%. Последующая зарядка до предельного напряжения восстанавливает полную емкость.

С точки зрения долговечности оптимальным напряжением заряда является 3.92 В на элемент. Эксперты считают, что при таком уровне порога исключаются все неблагоприятные факторы, связанные с напряжением аккумулятора. Дальнейшее снижение порога не даст дополнительного выигрыша, зато может привести к другим негативным последствиям (см. [3]). В Таблице 3 приведена зависимость емкости от уровня заряда. (Все значения оценочные; параметры элементов с более высокими пороговыми напряжениями могут отличаться от истинных).

Таблица 3. Зависимость количества циклов разряда и емкости от
предельного напряжения заряда. Каждое снижение на 0.1 В
от уровня 4.2 В удваивает количество циклов перезаряда,
но уменьшает емкость. Напряжение, превышающее 4.2 В
на элемент, может сократить срок службы аккумулятора.
Снижение напряжения заряда на 70 мВ уменьшает
емкость на 10%.
Уровень заряда
(В/элемент)
Циклы
разряда
Емкость при
полном заряде
[4.30] [150 … 250] ~[114%]
4.20 300 … 500 100%
4.10 600 … 1,000 ~86%
4.00 1,200 … 2,000 ~72%
3.92 2,400 … 4,000 ~58%

Большинство зарядных устройств для мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и цифровых камер заряжают литий-ионный аккумулятор до напряжения 4.2 В на элемент. Это позволяет закачать максимальный заряд, поскольку потребителю не нужно ничего, кроме оптимального времени работы. С другой стороны, промышленность, больше заинтересована в долговечности устройств и может выбирать более низкие пороги напряжений. Такими примерами могут служить cпутники и электротранспорт.

Для многих литий-ионных аккумуляторов соображения безопасности не позволяют превышать напряжение 4.2 В на элемент. (Исключением являются некоторые литий-никель-кобальт-марганцевые аккумуляторы). С одной стороны более высокое напряжение увеличивает емкость, но с другой – сокращает срок службы и снижает уровень эксплуатационной безопасности. Рисунок 2 демонстрирует зависимость количества циклов от напряжения заряда. При напряжении 4.35 В количество циклов обычного литий-ионного аккумулятора сокращается вдвое.

Как продлить жизнь литиевым аккумуляторам
Рисунок 2. Влияние повышенного напряжения заряда на срок службы.
Более высокое напряжение заряда увеличивает емкость, но
сокращает срок службы и снижает уровень безопасности.

Помимо того, что для каждого конкретного приложения требуется подбор наиболее подходящих порогов напряжения, обычный литий-ионный аккумулятор нельзя оставлять надолго под высоким напряжением 4.2 В. Поэтому зарядное устройство отключает зарядный ток, позволяя напряжению аккумулятора вернуться к более естественному уровню. Это напоминает расслабление мышц после напряженной тренировки [4].

Что может сделать пользователь?

На долговечность литий-ионных аккумуляторов влияют не только циклы перезаряда, но и условия окружающей среды. Наихудшей ситуацией является хранение полностью заряженного аккумулятора при повышенных температурах. Аккумуляторы не умирают внезапно, но их ресурс сокращается постепенно, по мере снижения емкости.

Более низкие напряжения заряда продлевают срок службы аккумулятора, что учитывают разработчики электротранспорта и спутников. Аналогичный подход мог бы использоваться и в отношении потребительских устройств, но такое бывает нечасто, и обычно заменяется учетом планируемого старения.

Срок службы аккумулятора ноутбука можно продлить, снизив напряжения заряда, когда он подключен к сети переменного тока. Чтобы сделать такую функцию дружественной для пользователя, устройство должно иметь режим «Долгая Жизнь», который будет поддерживать напряжение аккумулятора равным 4.05 В на элемент, обеспечивая емкость порядка 80 процентов. За час до путешествия пользователь включает режим «Полная Емкость», чтобы довести заряд до 4.2 В на элемент.

Нередко можно услышать вопрос: «Должен ли я отключать свой ноутбук от электрической сети, когда он не используется?» В обычных условиях это необязательно, поскольку по достижении литий-ионным аккумулятором полного заряда его зарядка прекращается. Подзарядка возобновляется только тогда, когда напряжение аккумулятора снижается до определенного уровня. Большинство пользователей не отключают блок питания, и такая практика безопасна.

Современные ноутбуки греются меньше, чем старые модели, и сообщения о возгораниях поступают реже. Если работающие электрические устройства с воздушным охлаждением находятся на постели или подушке, всегда следите за тем, чтобы вентиляционные отверстия не были закрыты. Прохладный ноутбук продлевает срок службы аккумулятора и внутренних компонентов. Элементы большинства потребительских устройств должны заряжаться током 1C или меньше. Избегайте так называемых сверхбыстрых зарядных устройств, которые, по утверждению производителей, способны полностью зарядить аккумулятор быстрее чем за час.

Ссылки

Перевод: Семен Воробьев по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: BU-808: How to Prolong Lithium-based Batteries

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Здравствуйте! Касается ли всё вышесказанное литий-полимерных аккумуляторов в полной мере или у них имеются свои особенности? Как отражаются низкие отрицательные температуры в ёмкости и долговечности таких аккумуляторов? По утверждению Казанских производителей Li-Pol Sistems ( lpbattery.ru ) некоторые ихние аккумуляторы работают при температуре -40 градусов. Можно ли этому верить? Заранее благодарю за ответ.
  • Прямо как в старом анекдоте:"-Как защититься от СПИДа? -Наденьте две пары презервативов - и никаких половых контактов!!!" Исходя из статьи - не разряжайте ниже 3,9 и не заряжайте выше 3,92! :) По-моему, единственное что может сделать пользователь - стараться не разряжать ниже 50%, а то емкость теряется - не помню где-то читал рекомендацию от производителя.
  • ...а заряжать не более 80%. Остаётся 30%.
  • Производители уже давно усовершенствовали технологию и "оптимизировали" срок службы аккумуляторов . Первые видеокамеры с Li-ion батареями до сих пор еще встречаются с живыми родными японскими батареями . НКГЦ 0,45 пр-ва СССР проработали у меня лет 10 . А нынешние 2-3 года , и в вторсырьё .
  • Так над этими проблемами целые институты работают.
  • Вот доп. информацияhttp://www.rlocman.ru/review/article.html?di=164204
Полный вариант обсуждения »
Рекомендуемые публикации по теме:
Новости  »
Воздушные пузырьки помогают установить рекорд плотности хранения энергии в воздушно-литиевых аккумуляторах
Статьи  »
200 микрометров! EnFilm - сверхтонкие твердотельные литиевые аккумуляторы от ST Microelectronics
Новости  »
Исследователи IBM нашли способ продлить жизнь оптической литографии
Форум  »
Зарядка литиевых аккумуляторов
Новости  »
Микросхемы перестраиваемых конденсаторов STMicroelectronics повысят качество связи в сетях 4G и продлят срок службы аккумулятора

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.

Срезы ↓
Электронный штангенциркуль из углепластика
Цена: 3.58 $ (223 руб.)
Бесплатная доставка: Весь мир
Датчики влажности и температуры ДВТ-03.ТЭ
Цена: от 3 168 руб.
Доставка: Россия и страны СНГ
Оригинальная ручка для подарка технарям
Цена: 0.97 $ (60 руб.)
Бесплатная доставка: Весь мир
радиолоцман вконтакте радиолоцман одноклассники радиолоцман facebook радиолоцман twitter радиолоцман google плюс