Az elektrokémiai feszültség minimalizálása érdekében optimalizálja a töltöttségi szint (SoC) tartományát

A lítiumionos akkumulátorok hosszú távú egészsége érdekében fontos a töltésük megfelelő kezelése. Ha körülbelül 20% és 80% közötti töltöttségi szinten tartjuk őket, ahelyett hogy teljesen lemerítenénk és újra teljesen feltöltenénk, a belső elektródák a 2023-as Elektrokémiai Társaság kutatásai szerint kb. 58%-kal kevesebb feszültségnek vannak kitéve. Ez az úgynevezett köztes stratégia segít elkerülni olyan problémákat, mint a lítium bevonódása az anódon vagy repedések képződése a katódanyagban, amelyek fő oka az akkumulátorok idővel bekövetkező degradációjának. Vegyük példaként az okostelefonokat: azok az eszközök, amelyek 80%-nál leállítják a töltést, akár 500 teljes töltési ciklus után is megtartják eredeti kapacitásuk kb. 92%-át. Ezzel szemben azok a telefonok, amelyeket minden alkalommal teljesen feltöltenek, ugyanennyi ciklus után csupán kb. 78%-át őrzik meg kezdeti kapacitásuknak.

Miért csökkenti a degradációt és miért maximalizálja a lítiumakkumulátorok élettartamát a 20–80%-os töltöttségi szint (SoC) tartomány

A huzamosan magas vagy alacsony töltöttségi szint felgyorsítja a kémiai elhasználódást:

• 90% feletti töltöttség (SoC) : Az elektrolit oxidációja havi kb. 1,2%-os kapacitásveszteséget okoz
• 15% alatti töltöttség (SoC) : Az anód oldódása havi kb. 0,8%-os degradációt eredményez

Egy 2023-as Michigani Egyetem tanulmány megerősítette, hogy ez a részleges töltési stratégia négyszeresére növeli az élettartamot a mélykisülésekhez képest.

Kisütési mélység (DoD) hatása: 300 ciklusról 100% DoD-nál több mint 1200 ciklusra 30% DoD-nál

A sekély kisütések jelentősen meghosszabbítják a hasznos élettartamot:

A kisütési mélység 30%-ra korlátozása csökkenti a szerkezeti fáradást, lehetővé téve több mint 1200 ciklus elérését és a 90% feletti kapacitás megtartását – kritikus fontosságú alkalmazásoknál, mint az elektromos járművek és energiatároló rendszerek.

Hőmérséklet-szabályozás a hő okta gyorsított öregedés megelőzésére

Hő okta lebomlás: hogyan csökkenti minden +10 °C a 25 °C felett a lítium akkumulátorok ciklusélettartamát kb. 50%-kal

Amikor a hőmérséklet túl magasra emelkedik, kémiai reakciókat indít el a lítium-akkumulátorok belsejében, amelyek idővel maradandó károkat okoznak. Tanulmányok szerint ha a hőmérséklet mindössze 10 °C-kal emelkedik a szabványos 25 °C felett, az akkumulátor élettartama kb. felére csökken, ami kevesebb töltési ciklust jelent összességében. Vegyünk például egy 1000 ciklusra tervezett akkumulátort – ha állandóan kb. 35 °C-on üzemel, akkor valószínűleg alig éri el az 500 ciklust, mielőtt jelentős kapacitást veszítene. Ennek oka? A hő lebontja az elektrolit oldatot, megvastagítja a védőrétegként működő SEI-réteget, és a katódban lévő fémek kioldódását okozza a rendszerbe. Még akkor is, ha az akkumulátorokat nem használják aktívan, a túl meleg környezet drámaian felgyorsítja degradációjukat. Ezért elengedhetetlen a megfelelő hőkezelés révén 30 °C alatt tartani az üzemeltetési hőmérsékletet, különösen komoly, valós alkalmazásokban, ahol a teljesítmény a legfontosabb.

Hideg töltés kockázatai: lítium lemezfelület és végleges kapacitásvesztés 0°C alatt

Amikor a lítium-akkumulátorokat fagypont alatti körülmények között töltik, valami rossz dolog történik a lítiumionokkal. Ahelyett, hogy az anódanyagba mozognának, ahol lenniük kellene, fémkristályok kezdődnek kialakulni a felületen. Ezt a jelenséget nevezzük "lítiumbevonásnak" (lithium plating). Amit még rosszabbá tesz a helyzetet, hogy amint ez elkezdődni, gyakorlatilag maradandó károsodás keletkezik. Minden ilyen eset során az akkumulátor kapacitása 5 és 20% között csökken, miközben a kristályos képződmények ágakhoz hasonlóan növekednek az akkumulátor belsejében, ami veszélyes rövidzárlatokhoz vezethet. A dolgok igazán bonyolulttá válnak nulla fok Celsius alatt, mivel az ionok már nem mozognak eleget. Az akkumulátor belső ellenállása jelentősen megnőhet, akár háromszorosára is emelkedhet a normális értékhez képest, ami töltéskor zavaró feszültségugrásokhoz vezet. Kutatások kimutatták, hogy ha egy akkumulátor mínusz tíz fokon csupán tízszer töltődik, akkor kb. ugyanannyi kopást szenved el, mintha szobahőmérsékleten száz cikluson menne keresztül. Ennek elkerülése érdekében a legtöbb szakértő azt javasolja, hogy az akkumulátort legalább öt fok Celsiusra melegítsék fel, mielőtt bármilyen töltési folyamatot elkezdenének. Ez az egyszerű lépés segít megőrizni az akkumulátor élettartamát még kemény téli körülmények között is.

Intelligens akkumulátorkezelő rendszerek használata proaktív védelem érdekében

A csomagolt lítiumakku-khoz tartozó akkumulátor-kezelő rendszerek (BMS) az akkumulátorok agyaként működnek, folyamatosan nyomon követve például a feszültségszinteket, az áramerősséget, a hőmérséklet-változásokat és a bennük maradó töltöttségi szintet. Ezek a rendszerek keményen dolgoznak azért, hogy megakadályozzák az akkumulátorok túl gyors elhasználódását. Amikor túl magas feszültség vagy hő kezd felhalmozódni, automatikusan lelassítják a töltési sebességet, vagy teljesen megszakítják az áramellátást, hogy megvédjék az akkumulátort a károsodástól. Egy jó BMS azt is biztosítja, hogy az akkumulátorok ne merüljenek le teljesen, mert ez drasztikusan lerövidítheti élettartamukat – akár körülbelül háromnegyed részére csökkentheti azt ahhoz képest, mintha csak részlegesen merítenék ki őket. A hőmérséklet-szabályozás egy másik kulcsfontosságú funkció, mivel már 10 °C-os emelkedés is a szobahőmérséklet fölött majdnem felére csökkentheti az akkumulátor élettartamát. Néhány újabb modell okos szoftverrel is rendelkezik, amely problémákat észlel a cellák között, mielőtt komolyabb hibává válnának, majd az energiát úgy tereli át, hogy kiegyensúlyozza a rendszert, és megakadályozza, hogy bizonyos területek gyorsabban öregedjenek másoknál. Mindezen védelmi mechanizmusok együttesen hozzájárulnak ahhoz, hogy jelentősen meghosszabbítsák a lítiumakkumulátorok élettartamát, és csökkentsék a veszélyes meghibásodások előfordulását, mint például a termikus futótűz, amiről időnként hallani lehet a hírekben.

A megfelelő tárolási és karbantartási gyakorlatok alkalmazása hosszú távú stabilitás érdekében

Ideális tárolás 40–60% töltöttségi szinten hűvös, száraz körülmények között: a naptári öregedés csökkentése akár 70%-ig

A lítiumakkumulátorok sokkal hosszabb ideig tartanak megfelelő tárolás mellett, mert ez segít megelőzni az úgynevezett naptári öregedést, amely alatt az akkumulátorok egyszerűen használaton kívül állva is elveszítik kapacitásukat. Ha az akkumulátort kb. 40–60% töltöttségi szinten tartják, az kevesebb terhelést jelent a belső alkatrészekre, és ha hűvös helyen, ideális esetben 15–25 °C-os hőmérsékleten tárolják, lelassulnak a kémiai reakciók, amelyek végül tönkreteszik az akkumulátor belsejét. A levegő ne legyen túl páratartalmú sem, a 50%-nál alacsonyabb páratartalom a legmegfelelőbb, mivel a nedvesség korróziót vagy akár magából az akkumulátorból származó szivárgást is okozhat. Ezeknek az irányelveknek a betartása valódi különbséget jelent: akár 70%-kal csökkentheti az éves kapacitásvesztést ahhoz képest, mintha teljesen feltöltött állapotban, melegebb, kb. 35 fokos körülmények között lennének tárolva. Aki hosszabb ideig tárolja az akkumulátorokat, rendszeresen ellenőrizze azok feszültségét, hogy biztosan a megfelelő tartományon belül maradjanak. Ez az egyszerű lépés megakadályozza, hogy az akkumulátorok hónapok vagy évek használaton kívüli időszaka alatt teljesen lemerüljenek és megsérüljenek.

Kerülje a magas áramerősségű és túltöltési körülményeket, amelyek felgyorsítják az öregedést

Gyors töltés kompromisszumai: 20–30%-os lítiumakku ciklusélettartam-csökkenés 2C esetén szabványos 0,5C töltéssel szemben

Amikor gyors töltésről és kisütési ciklusokról beszélünk, a lítium-ion akkumulátorok elektrokémiai szempontból igencsak megterhelődnek. A 2C sebességű töltés azt jelenti, hogy az akkumulátor mindössze fél óra alatt teljesen feltölthető, ám ez ára van. Tanulmányok szerint az ilyen körülmények között használt akkumulátorok élettartama általában csak kb. 70–80%-a azon elemeké, amelyeket a szabványos 0,5C töltési rátánál használnak. Ennek a degradációnak az oka az, ami a cellán belül történik ezen gyors folyamatok során. A gyorsan mozgó ionok miatt az elektrolit gyorsabban bomlik le, mint normál esetben, ugyanakkor felgyorsul az SEI-réteg képződése az elektródokon, amely végül idővel csökkenti az akkumulátor teljes kapacitását. Ne feledkezzünk meg azonban a túltöltésről sem. Ez a gyakorlat különféle káros kémiai reakciókat vált ki az akkumulátor belsejében, amelyek komolyan megrongálhatják annak belső alkatrészeit, és jelentősen lerövidíthetik az élettartamát.

• Termikus felfutás kockázata : A túlméretes feszültség hőfelhalmozódást okoz (>60 °C), amely felgyorsítja a katód degradációját
• Lítium bevonat képződés : Fémleszívódás képződik az anódokon 0°C alatt töltés közben, ami visszafordíthatatlan kapacitásveszteséget okoz
• Szerkezeti kár : A túltöltés a grafitanódokat a tervezett határokon túlre nyújtja, repedéseket okozva az elektródaanyagokban

Az optimális töltési protokollok sebesség és élettartam közötti egyensúlyt teremtenek. A maximális lítium-akkumulátor ciklusélettartam érdekében célszerű a ‹1C-es töltési sebességet alkalmazni, amikor lehetséges, valamint okos töltőket használni, amelyek a feszültség 100%-ánál leállítják a töltést. A nagy kisütési igényű alkalmazások (pl. elektromos szerszámok) hőkezelő rendszerekkel javíthatják az akkumulátor állapotát a gyors ciklusok során.

Gyakran feltett kérdések (FAQ)

Mi az optimális töltöttségi szint (SoC) tartomány a lítium-akkumulátorokhoz?

A lítium-akkumulátorok számára az optimális SoC-tartomány 20% és 80% között van, mivel ez csökkenti az elektrokémiai terhelést és meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát.

Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a lítium-akkumulátor ciklusélettartamát?

A standard 25 °C üzemi hőmérséklet feletti 10 °C-os növekedés körülbelül 50%-kal csökkentheti a lítium-akkumulátorok ciklusélettartamát, míg a fagypont alatti hőmérsékleten történő üzemeltetés lítiumbevonat képződéséhez és végleges kapacitásvesztéshez vezethet.

Mi az a lítiumbevonat?

A lítiumbevonat akkor keletkezik, amikor a lítiumionok fémkristályokká alakulnak az akkumulátor anód felületén, töltés közben, fagypont alatti hőmérsékleten, ami visszafordíthatatlan kapacitásvesztést eredményez.

Hogyan védik az akkumulátorkezelő rendszerek (BMS) a lítium-akkumulátorokat?

A BMS figyeli a feszültséget, az áramerősséget, a hőmérsékletet és a töltöttségi szintet, valamint automatikusan szabályozza a töltési sebességet vagy megszakítja az áramellátást az akkumulátor károsodásának megelőzése érdekében.