Lithiumionisuihkun kierrosikä ja sen merkitys

Lithiumionisuihkun kierrosikä ja varavirtapiirit

Kierrosiällä tarkoitetaan periaatteessa sitä, kuinka monta kertaa lithiumionisuihkua voidaan käyttää täysin varattuna ja tyhjennettynä ennen kuin sen teho alkaa laskea – tyypillisesti noin 70–80 prosenttiin alkuperäisestä kapasiteetista. Koko kierroksella tarkoitetaan siis akun kaiken tehon käyttämistä, olipa se yhdessä isossa käytössä tai vähitellen. Esimerkiksi, jos joku käyttää puolet akun tehon kahdesti, se lasketaan yhdeksi täydeksi kierrokseksi. Useimmat nykyiset litiumioniakut kestävät nykyään 500–1500 kierrosta, mutta poikkeamat ovat mahdollisia. Joidenkin uusien mallien, jotka on suunniteltu erityisesti energiaverkkoihin, on raportoitu kestävän paljon enemmän, jopa yli 6000 kierrosta viime vuosien teollisuusraporttien mukaan. Tämä on tärkeää, koska pidempi kierrosikä tarkoittaa parempaa hinta-laatusuhdetta pitkäaikaisesti ajateltuna.

Kierrosiän merkitys kestävissä energiaverkoissa

Kun akkujen kesto on pidempi ennen kuin ne täytyy vaihtaa, sähköjätettä päätyy vähemmän kaatopaikoille ja raaka-aineiden kulutusta pienenee. Esimerkkinä voidaan mainita sähköautojen akut. Jos akun latauskertojen määrä on noin 1200 kappaletta eikä vain 500, akun vaihtoa ei tarvita neljän–seitsemän vuoden aikana. Tämä tarkoittaa noin 19 kilogrammaa säästettyä raaka-ainetta jokaista varattua kilowattituntia kohti. Akkujen pitkäikäisyys on erityisen tärkeää puhuttaessa uusiutuvan energian varastoinnista. Aurinkopaneelit ja tuuliturbiinit tuottavat sähköä epäsäännöllisesti, joten varastointijärjestelmien on pysyttävä toimivina useiden vuosien ajan, jotta sähkön saanti pysyy vakaana.

Litiumparistojen keskimääräinen käyttöikä normaalikäytössä

Tyypillisissä olosuhteissa litiumakut säilyttävät 80 %:a alkuperäisestä kapasiteetistaan:

• Puhelimet/kannettavat tietokoneet : 300–500 kierrosta (1–3 vuotta)
• Sähköautojen akut : 1000–1500 kierrosta (8–12 vuotta)
• Aurinko-varasto : 3 000–6 000 kierrosta (15–25 vuotta)

Latausalueen rajoittaminen 20 %:n ja 80 %:n välille voi pidentää käyttöikää jopa 40 % verrattuna täysiin 0–100 %:n lataus- ja purkukierroksiin.

Tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat litiumioniakkujen rapautumiseen

Lämpötilan vaikutus akun kuntoon

Kun lämpötila nousee liian korkeaksi, se nopeuttaa litiumiakkujen sisällä olevia kemiallisia reaktioita, jotka lopulta kuluttavat akun. Tutkimukset osoittavat, että tällöin tapahtuu jotain varsin hälyttävää: jokaisen 15 asteen lämpötilan nousun aikana huoneenlämpötilan (noin 25 astetta Celsius) yläpuolella akun hajoamisnopeus lähes kaksinkertaistuu. Miksi? Koska kiinteän elektrolyytin rajakerros paksuuntuu ja litiumin pinnoitus lisääntyy. Jos nämä akut pysyvät kuumina pitkään, esimerkiksi noin 45 asteen Celsius lämpötilassa, niiden käyttöikä laskee merkittävästi. Puhumme tässä tapauksessa noin 40 prosenttia vähemmistä lataus- ja purkamiskierroksista ennen vikaantumista verrattuna normaaliin käyttöolosuhteisiin 20 asteen Celsius lämpötilassa. Näitä havaintoja tukevat vuoden 2024 viimeisimmät lämpöstressitestarit, jotka korostavat näiden energialähteiden herkkyyttä lämmölle.

Ylikuormituksen ja syvien purkamisten vaikutus litiumiakkujen kestävyyteen

Jännitteen rajojen ylittäminen tuhoaa akut pysyvästi. Kun soluja varataan yli 4,2 voltin, ne alkavat erottaa metallista litiumia pintoilleen. Jos jännite laskee alle 2,5 volttia solua kohti, sisällä olevat kupariosat alkavat itse asiassa liota. Laboratoriotulokset kertovat myös jotain merkityksellistä. Akut, joita käytetään täysin tyhjäksi eli 100 %:n syvyyteen asti, kestävät noin 300 sykliä vähemmän kuin ne, joiden käyttö lopetetaan 50 %:n kohdalla. Käytännön sovelluksissa ero on merkittävä. Useimmat modernit laitteet toimitetaan nykyään akunhallintajärjestelmillä, jotka toimivat vartijoina näitä vaarallisia ääriarvoja vastaan. Näitä BMS-yksiköitä käytetään turvamarginaalien luomiseen, jotta jännitteet pysyvät hyväksyttävillä alueilla normaalin käytön aikana.

Pikalataus vs. Normaalilataus: Käyttöönottoon liittyvät haittapuolet

Vaikka 3C-latausnopeutta käytettäessä latausaika lyhenee 65 %, se nostaa sisäistä vastusta 18 % nopeammin kuin standardi 1C-lataus, koska ionikonsentraatiogradientit aiheuttavat elektrodijännitystä. Nopeuden ja kestävyyden tasapainottamiseksi valmistajat käyttävät nykyään adaptiivisia latausalgoritmeja, jotka säätävät latausnopeutta lämpötilan ja varauksen mukaan.

Kiertotehokkuus ja sen vaikutus syklisäilyvyyteen

Korkeampi kiertotehokkuus (RTE) edistää pidempää syklisäilyvyyttä. Akut, joiden RTE on 95 %, menettävät 12 % vähemmän kapasiteettia 1 000 syklin jälkeen kuin akut, joiden RTE on 85 %, sillä alhaisempi tehokkuus tuottaa enemmän lämpöä. Elektrodimateriaalien ja elektrolyyttien kehitys on mahdollistanut johtavien litiumrautafosfaattiakkujen (LFP) saavuttaa 97 % RTE vuoden 2024 suorituskykymittareissa.

Parhaat käytännöt litiumakun syklisäilyvyyden pidentämiseksi

20–80 % lataussääntö degradoinnin minimoimiseksi

Varauksen ylläpitäminen 20–80 % välillä vähentää elektrodien rasitusta merkittävästi. Vuoden 2023 Michigalin yliopiston tutkimus osoitti, että tämä lähestymistapa voi nelinkertaistaa syklisäilymisen verrattuna toistettuihin 0–100 % sykkeisiin minimoimalla litium-kerrostumista ja katodin halkeamista.

Älä tyhjennä akkua täysin ja vältä ylikuormitusta pitkäaikaisen kunnon vuoksi

Alle 10 % tyhjennys nopeuttaa elektrolyytin hajoamista, kun taas lataamista yli 95 % rasittaa solukemialla. Valmistajien tiedot osoittavat, että ääriarvojen välttäminen säilyttää 92 % kapasiteetista 500 syklin jälkeen verrattuna 78 %:iin, kun täysiä syklejä käytetään usein.

Optimaaliset latausstrategiat älypuhelimille, kannettaville tietokoneille ja sähköajoneuvoille

• Älypuhelimet : Ota käyttöön "optimoitu lataus" -ominaisuus, joka keskeyttää latauksen 80 % kohdalla
• Kannettavat tietokoneet : Irrota verkkovirtaliitäntä täyden latauksen jälkeen ja vältä pitkäaikaista 100 % varausasento
• Sähköajoneuvot : Käytä aikataulutettua latausta täydentämään lataus juuri ennen ajamista

Oikea säilytys: Kylmässä ja kuivassa olosuhteessa 40–60 % varauksella

Pitkäaikaisen säilytyksen osalta akkujen säilytyslämpötilan tulisi olla 15 °C (59 °F) ja varaus noin 50 %, jotta itsepurkautuminen rajoittuu alle 3 %:iin kuukaudessa. Lämpötilat yli 25 °C (77 °F) voivat nelinkertaistaa vanhenemisnopeuden, kuten NREL 2023 raportoi.

Akunhallintajärjestelmän (BMS) rooli reaaliaikaisessa suojauksessa ja optimoinnissa

Akunhallintajärjestelmät (BMS) suojaavat ylilataukselta, tasapainottavat solujen jännitteitä ja säätelevät latausvirtaa ääriolosuhteissa. Edistyneemmät BMS-suunnittelut mukauttavat latauskäyttäytymistä käyttötapoihin, mikä vähentää kulumista 18–22 % verrattuna perusjärjestelmiin (DOE 2023).

Akun kemiallisten koostumusten vertailu: LFP vs. NMC eliniän ja kestävyyden näkökulmasta

Miksi litium-rauta-fosfaatti (LFP) tarjoaa paremman syklisyyden elämänkaaren

Kestävyyden osalta litiumrautafosfaattiparistot (LFP) voittavat nikkeli-mangaani-kobolttiparistot (NMC), koska niillä on stabiilimpi kidepohja ja ne kokevat vähemmän mekaanista rasitusta latauksen ja purkamisen yhteydessä. Useimmat NMC-paristot säilyttävät noin 80 %:a alkuperäisestä kapasiteetistaan 1 000–2 000 latauskerran ajan, kun taas LFP-paristojen kesto on usein selvästi tätä pidempi, saavuttaen 3 000–5 000 latausjaksoa ennen kuin kapasiteetin lasku on merkittävää. Mikä tekee LFP:stä niin kestävän? Rauta-fosfori-sidokset ovat erittäin kovaa ainetta, eivätkä ne hajoa helposti edes korkeassa lämpötilassa. Vuoden 2023 testitarkasteluissa tutkittiin näiden paristojen toimintaa suurjärjestelmissä energian varastoinnissa. Testien jälkeen, jo 2 500 täyden lataus-purkamisjakson jälkeen, LFP-solut säilyttivät edelleen 92 %:a alkuperäisestä kapasiteetistaan, mikä on noin 20 prosenttiyksikköä parempaa kuin vastaavissa NMC-paristopaketeissa saman testin aikana.

Käyttöiän vertailu: LFP, NMC ja muut litiumioniakkutyyppien välillä

Metrinen	LFP	NMC	LCO (Litiumkoboltti)
Keskimääräinen lataus-/purkauskertojen määrä (80 % asti)	3 000–5 000	1 000–2 000	500–1 000
Lämpöstabiilisuus	≤60 °C turvallinen	≤45 °C turvallinen	≤40 °C turvallinen
Energiatiheys	90–120 Wh/kg	150–220 Wh/kg	150–200 Wh/kg
Kustannus/sykli	$0,03–$0,05	$0,08–$0,12	$0,15–$0,20

Tämä vertailu korostaa LFP:n etua kesto- ja turvallisuudessa, mikä tekee siitä erinomaisen valinnan kiinteisiin sovelluksiin, kun taas NMC sopii parhaiten paineherkäisiin käyttökohteisiin, kuten sähköajoneuvoihin.

Tapautumiskatsaus: LFP-akut sähköbussien ja sähköverkkovarastojen sovelluksissa

Kaupungit, jotka käyttävät LFP-akkujen varassa olevaa joukkoliikenneparkkia, käyttävät noin 40 prosenttia vähemmän korvauksiin kahdeksan vuoden aikana verrattuna niihin, jotka käyttävät NMC-järjestelmiä. Otetaan esimerkiksi Shenzen, jossa on vuodesta 2018 alkaen käytössä noin 16 000 sähköbussia. Nämä ajoneuvot pysyvät suurimman osan ajasta käytössä, ja niiden käyttöaste on noin 97 prosenttia, vaikka ne olisivat ajaneet jo 200 000 kilometriä ja menettäneet vain 12 prosenttia akun kapasiteetistaan. Kun on kyse sähköenergian varastoinnista sähköverkoissa, LFP-tekniikka takaa noin 18 prosenttia suuremman sijoituksen tuoton viiden toista vuotta pitkällä aikavälillä, koska nämä akut vanhenevat paljon hitaammin kuin vaihtoehdot. Siksi monet kehittyneet yhteisöt siirtyvät LFP-ratkaisuihin osana pitkän aikavälin suunnitelmiaan vihreiden energiaverkkojen rakentamiseksi.

Lithium-akkujen kestävä käyttö ja loppukäytön hallinta

Toisen käytön sovellukset: Käytettyjen litium-akkujen tehokas uudelleenkäyttö

Litiumiakkujen toiminta säilyy edelleen melko hyvin, vaikka niiden kapasiteetti laskisi noin 70–80 prosenttiin alkuperäisestä. Nämä vanhemmat akut löytävät uuden käytön esimerkiksi aurinkoenergian varastointiin, sähkökatkojen varalle varavoimaksi tai tehtaiden kuormien hallintaan, joissa suorituskykypaatteet eivät ole yhtä tiukat. Viime vuonna Journal of Energy Storage -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan sähköautoista poistettuja akkuja voidaan käyttää vielä seitsemästä kymmeneen vuotta sähkön huippujen leikkaamiseksi toimistotaloissa ja vastaavissa tiloissa. Hyvä uutinen on, että uudet teknologiat mahdollistavat käytettyjen akkujen lajittelun ja niiden oikeisiin jälleenmyyntisovelluksiin sijoittamisen nopeammin kuin manuaalisesti – noin 40 prosenttia nopeammin. Tämä parannus tekee akkujen uudelleenkäytöstä tehokkaampaa ja auttaa jätemäärän vähentämisessä.

Jätemäärän vähentäminen pidentämällä käyttöikää ja uudelleenkäyttöä

Oikean varastointilämmön hallinta ja latausparannukset pidentävät akun elinikää 30–50 %, mikä estää 18 metristä sähkö- ja elektroniikkajätettä 1 000 kappaletta kohti vuodessa. Modulaariset akkorumakkeet, jotka mahdollistavat yksittäisten solujen vaihdon, vähentävät raaka-aineiden tarvetta 28 % verrattuna koko akkupakettien vaihtamiseen, kuten vuoden 2022 ympäristövaikutustutkimus osoittaa.

Kiertotalouden trendit litiumakkujen ekosysteemissä

Suljettu kierrätysprosessi voi palauttaa noin 95 prosenttia koboltista ja lähes 90 prosenttia litiumista menetelmillä, jotka eivät käytä liuottimia, erityisesti suoralla katodin uudistamisella. Tarkastelemalla todellisia lukuja, akkujen kierrätys Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa on noussut merkittävästi viime vuosina. Vuonna 2020 vain noin 12 prosenttia akkuista kierrätettiin, mutta vuoteen 2023 mennessä luku oli noussut 37 prosenttiin, pääasiassa sen vuoksi, että keruujärjestelmät alkoivat toimia tehokkaammin. Myös valtiovarainministeriöt ovat ottamassa kantaa, uusilla säännöillä vaaditaan vähintään 70 prosentin materiaalien kierrätys vanhoista akkuista. Näillä säännöksillä pakotetaan yrityksiä kehittämään innovatiivisia tapoja erottaa materiaalit polttamatta niitä (pirolyysi), mikä auttaa säilyttämään arvokkaat grafiittianodit ehjinä, jotta niitä voidaan käyttää uudelleen tulevassa akkujen valmistuksessa.

UKK

Mikä on litiumakun kiertokäyttöikä?

Kierroselämä tarkoittaa litiumpariston kokonaisia lataus- ja purkukertoja ennen kuin sen kapasiteetti laskee, tyypillisesti noin 70–80 %:iin alkuperäisestä kapasiteetista.

Kuinka voin pidentää litiumparistoni kierrosikää?

Kierrosiän pidentämiseksi pidä varauksen alueella 20–80 %, vältä täysiä purkauksia ja ylilataamista sekä säilytä paristoja viileissä ja kuivissa olosuhteissa noin 50 %:n varauksella.

Mikä on ero LFP- ja NMC-akkujen välillä?

LFP-akut tarjoavat paremman kierrosiän ja lämpötilavakauden matalamman energiatiheyden kustannuksella, mikä tekee niistä ideaaliset kiinteisiin sovelluksiin. NMC-akulla on korkeampi energiatiheys, mikä sopii painoherkkiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvoihin.

Voisiko litiumparistoja kierrättää?

Kyllä, litiumparistoja voidaan kierrättää. Suljetun kierron kierrätysprosessilla voidaan palauttaa jopa 95 % koboltista ja lähes 90 % litiumista ympäristöystävällisesti.