Optimoi varausasteen väli vähentääksesi elektrokemiallista rasitusta

Litiumakkujen kunnon ylläpitäminen pitkällä aikavälillä tarkoittaa lataustavan asianmukaista hallintaa. Kun pidämme lataustason noin 20–80 prosentin välillä sen sijaan, että antaisimme akun tyhjentyä täysin ja lataisimme sen täyteen, elektrodit sisällä kokevat noin 58 % vähemmän rasitusta tutkimuksen mukaan, jonka Electrochemical Society julkaisi vuonna 2023. Tätä ns. keskivertostrategiaa noudattamalla voidaan estää ongelmia, kuten anodille muodostuva litiumsaostuma ja katodimateriaaliin kehittyvät halkeamat, jotka ovat merkittäviä syitä akkujen rappeutumiselle ajan myötä. Älypuhelimet tarjoavat konkreettisen esimerkin. Ne laitteet, jotka keskeyttävät lataamisen saavutettuaan 80 prosentin tason, säilyttävät noin 92 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan, vaikka niitä olisi ladattu täyteen 500 kertaa. Vertailun vuoksi puhelimet, jotka ladataan täyteen joka kerta, säilyttävät vain noin 78 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan saman määrän latausjaksojen jälkeen.

Miksi 20–80 %:n SoC-alue vähentää rappeutumista ja maksimoi litiumakun kestokäyttöiän

Pitkittyneet korkeat tai alhaiset varausasteet kiihdyttävät kemiallista kulumista:

• Yli 90 % SoC : Elektrolyytin hapettuminen aiheuttaa noin 1,2 %:n kuukausittaisen kapasiteetin menetyksen
• Alle 15 % SoC : Anodin liukeneminen johtaa noin 0,8 %:n kuukausittaiseen heikkenemiseen

Michiganin yliopiston vuoden 2023 tutkimus vahvisti, että osittaisten latausten strategia nelinkertaistaa syklin keston verrattuna syviin puristuksiin.

Purkaussyvyyden (DoD) vaikutus: 300 syklistä 100 %:n DoD:ssa yli 1 200:een 30 %:n DoD:ssa

Pinnalliset purkaukset pidentävät käyttöikää huomattavasti:

Purkaussyvyyden rajoittaminen 30 %:iin vähentää rakenteellista väsymystä, mikä mahdollistaa yli 1 200 syklin saavuttamisen ja samalla säilyttää yli 90 %:n kapasiteetin – tämä on kriittistä sovelluksissa, kuten sähköautot ja energianvarastointijärjestelmät.

Säädä lämpötila-altistusta estämään lämpöviritty vanheneminen

Lämmön aiheuttama hajoaminen: miten jokainen +10 °C yli 25 °C:n vähentää litiumakun syklin kestoa noin 50 %

Kun lämpötila nousee liian korkeaksi, se käynnistää kemiallisia reaktioita litiumakkuissa, jotka aiheuttavat pysyvää vahinkoa ajan myötä. Tutkimukset osoittavat, että jos lämpötila nousee vain 10 astetta yli normaalin 25 °C:n, akku vanhenee noin puolet normaalia nopeammin, mikä tarkoittaa merkittävästi vähemmän lataussyklejä yhteensä. Otetaan esimerkiksi akku, joka on suunniteltu 1 000 sykliin – jos sitä käytetään säännöllisesti noin 35 °C:ssa, se saattaa tuskin selvitä 500 sykliin ennen kuin sen kapasiteetti heikkenee huomattavasti. Miksi näin tapahtuu? Lämpö hajottaa elektrolyyttiliuoksen, tekee suojakerroksesta SEI paksun kuin tavallista ja saa katodin metalleja vuotamaan järjestelmään. Vaikka akkuja ei käytettäisi aktiivisesti, niiden säilyttäminen liian lämpiminä kiihdyttää silti niiden rappeutumista dramaattisesti. Toiminnan ylläpitäminen alle 30 °C:lla asianmukaisella lämmönhallinnalla on erittäin tärkeää, jotta litiumakkujen suorituskyky saadaan mahdollisimman hyväksi vaativissa käyttösovelluksissa, joissa tehokkuus on ratkaisevan tärkeää.

Kylmävarausten riskit: litiumkerrostuma ja pysyvä kapasiteetin menetys alle 0 °C

Kun litiumakkuja ladataan pakkasessa, niiden litiumioneille tapahtuu jotain ikävää. Sen sijaan, että ne liikkuisivat anodimateriaaliin, johon niiden kuuluisi siirtyä, ne alkavat muodostaa metallikristalleja pinnalle. Tätä ilmiötä kutsutaan yleisesti nimellä "litiumhopeutus". Asiaa pahentaa se, että kun tämä prosessi kerran alkaa, aiheutuva vahinko on olennaisesti pysyvää. Joka kerta kun näin käy, kapasiteetti laskee jonnekin 5–20 prosentin välille, ja nämä kiteytymät kasvavat akussa pieninä haarojen kaltaisina rakenteina, mikä voi johtaa vaarallisiin oikosuluihin. Tilanne vaikeutuu erityisesti nollan asteen Celsius-asteikon alapuolella, koska ionit eivät enää juurikaan liiku. Akun sisäinen resistanssi nousee huomattavasti, joskus jopa kolminkertaistuen normaaliin tasoon verrattuna, mikä puolestaan aiheuttaa ärsyttäviä jännitepiikkejä ladattaessa. Tutkimukset osoittavat, että jos akku läpäisee vain kymmenen latausjaksoa miinus kymmenessä celsiusasteessa, sillä on noin sama kuluminen kuin sadassa huonelämpötilassa suoritetussa jaksoissa. Kaiken tämän välttämiseksi useimmat asiantuntijat suosittelevat akkujen esilämmittämistä vähintään viiteen celsiusasteeseen ennen latauksen aloittamista. Tämä yksinkertainen toimenpide auttaa säilyttämään akun eliniän, myös tietyissä ankariin talviolosuhteisiin liittyvissä tilanteissa.

Käytä älykkäitä akkujen hallintajärjestelmiä ennakoivaan suojaukseen

Akunhallintajärjestelmät (BMS) toimivat litiumakkujen aivoina, seuraamalla jatkuvasti asioita kuten jännitetasoja, virranvirtausta, lämpötilanmuutoksia ja jäljellä olevaa varausmäärää. Nämä järjestelmät tekevät kovasti töitä estääkseen akkujen liiallisen nopean kulumisen. Kun jännite tai lämpö nousee liian suureksi, ne hidastavat automaattisesti latausnopeutta tai katkaisevat virran kokonaan vaurioiden ehkäisemiseksi. Hyvä BMS varmistaa myös, että akkuja ei tyhjennetä täysin, koska tämä voi dramaattisesti lyhentää niiden käyttöikää – joskus jopa noin kolme neljäsosaa verrattuna osittaiseen purkamiseen. Lämpötilanhallinta on toinen keskeinen ominaisuus, sillä jo 10 celsiusasteen nousu huoneenlämpötilasta voi puolittaa akun käyttöiän. Jotkin uudemmat mallit sisältävät älykästä ohjelmistoa, joka havaitsee solujen välillä mahdollisesti ilmeneviä ongelmia ennen kuin ne kasvavat suuremmiksi, ja siirtää sen jälkeen energiaa tasapainottaakseen järjestelmää ja estääkseen tietyiltä alueilta nopeampaa ikääntymistä. Kaikki nämä suojaukset yhdessä auttavat pidentämään litiumakkujen käyttöikää ja merkittävästi vähentävät vaarallisia vikoja, kuten niin sanottuja termisiä läpimenoilmiöitä, joista kuulemme silloin tällöin uutisissa.

Käytä oikeita varastointi- ja huoltomenetelmiä pitkäaikaisen vakavuuden varmistamiseksi

Ideaali varastointi 40–60 % SoC:ssa viileissä ja kuivissa olosuhteissa: Kalenteriikää voidaan vähentää jopa 70 %

Litiumakut kestävät paljon pidempään, kun ne varastoidaan oikein, koska tämä auttaa estämään niin sanottua kalenteriikää, jolloin akku menettää kapasiteettiaan vain seisomalla käyttämättömänä. Akun varaustason pitäminen noin 40–60 prosentin välillä vähentää sisäisten komponenttien kuormitusta, ja viileässä paikassa säilyttäminen, mieluiten 15–25 asteen Celsiuksen välillä, hidastaa kemiallisia reaktioita, jotka lopulta hajottavat akkua sisältäpäin. Ilman kosteus ei myöskään saa olla liian suuri; alle 50 prosentin ilmankosteus toimii parhaiten, sillä kosteus voi aiheuttaa ongelmia, kuten korroosiota tai jopa vuotamista itse akusta. Näiden ohjeiden noudattaminen tekee todellakin eron: vuotuinen kapasiteetin menetys voidaan vähentää jopa 70 prosenttia verrattuna tilanteeseen, jossa akut jätetään täyteen ladattuina lämpimämpään ympäristöön noin 35 asteessa. Kaikkien, jotka aikovat varastoida akkuja pitkään, tulisi tarkistaa akkujen jännite silloin tällöin varmistaakseen, että ne pysyvät optimaalisella alueella. Tämä yksinkertainen toimenpide estää vaurioitumisen, joka johtuisi akun täydellisestä tyhjenemisestä kuukausien tai vuosien käyttämättömyyden aikana.

Vältä korkeita virtoja ja ylilatausehdon aiheuttamaa nopeampaa rappeutumista

Pikalatauksen haitat: 20–30 %:n litiumakun syklin kestoikä vähenee ladattaessa 2C:ssä verrattuna standardiin 0.5C-lataukseen

Kun puhutaan nopeista lataus- ja purkamisjaksoista, litiumioniakkujen sähkökemiallinen rakenne joutuu todella koville. Lataaminen 2C-nopeudella tarkoittaa akun täyden varauksen saavuttamista vain puolessa tunnissa, mutta tämä on maksanut hinnan. Tutkimukset osoittavat, että näihin olosuhteisiin altistuvien akkujen käyttöikä on tyypillisesti vain noin 70–80 % verrattuna niihin, joita ladataan standardilla 0,5C-nopeudella. Tämän heikkenemisen syy on siinä, mitä tapahtuu solun sisällä nopeiden prosessien aikana. Nopeasti liikkuvat ionit aiheuttavat elektrolyytin hajoamisen nopeammin kuin normaalisti, samalla kiihdyttäen SEI-kerroksen muodostumista elektrodeille, mikä pitkällä aikavälillä vähentää akun kokonaiskapasiteettia. Älkäämme myöskään unohtako ylilataamista. Tämä käytäntö johtaa lukuisiin haitallisiin kemiallisiin reaktioihin akun sisällä, jotka voivat vakavasti vahingoittaa sen sisäisiä komponentteja ja merkittävästi lyhentää sen käyttöikää.

• Lämpöläpimurron riski : Ylikuormitus aiheuttaa lämmöntuotannon (>60 °C), mikä kiihdyttää katodin hajoamista
• Litiumsaostuma : Metallista litiumia muodostuu anodille alle 0 °C:ssa latauksen aikana, mikä aiheuttaa peruuttamatonta kapasiteetin menetystä
• Rakenteellinen vaurio : Ylilataus laajentaa grafiittianodeja suunnittelurajojen yli, minkä seurauksena elektrodimateriaalit halkeavat

Optimaaliset latausmenettelyt tasapainottavat nopeutta ja kestoa. Suurimman litiumakun kierrosmäärän saavuttamiseksi lataus tulisi rajoittaa alle 1C:n, kun mahdollista, ja käyttää älykkäitä laturi, jotka pysäyttävät latauksen 100 %:n jännitteellä. Suurta virrankulutusta vaativissa sovelluksissa (esim. sähkötyökalut) hyödynnetään lämmönhallintajärjestelmiä nopean syklauksen aikaisen hajoamisen hillitsemiseksi.

Usein kysyttyjä kysymyksiä

Mikä on optimaalinen varausaste (SoC) -alue litiumakkujen käytölle?

Litiumakkujen optimaalinen varausaste-alue on 20–80 %, koska tämä minimoi elektrokemiallisen rasituksen ja pidentää akun käyttöikää.

Miten lämpötila vaikuttaa litiumakun kierrosmäärään?

Lämpötilan nousu 10 °C yli standardin toimintaolosuhteiden 25 °C voi vähentää litiumakun sykliviitoa noin 50 %, kun taas toiminta pakkasoloissa voi johtaa litiumkäsittelyyn ja pysyvään kapasiteetin menetykseen.

Mikä on litiumkäsittely?

Litiumkäsittely tapahtuu, kun litiumionit muodostavat metallikiteitä akun anodipinnalle latauksen aikana pakkaslämpötiloissa, mikä johtaa peruuttamattomaan kapasiteetin menetykseen.

Kuinka akkujärjestelmien hallintajärjestelmät (BMS) suojaavat litiumakkueita?

BMS suojaa litiumakkueita seuraamalla jännitettä, virtaa, lämpötilaa ja varausasteita sekä säätämällä latausnopeutta automaattisesti tai katkaisemalla virran vaurioiden estämiseksi.