Optimizuokite įkrovos lygio diapazoną, kad sumažintumėte elektrocheminę įtampą

Ličio baterijų sveikatos palaikymas ilguoju metu reiškia tinkamą jų įkrovimo valdymą. Kai laikomės įkrovimo nuo maždaug 20% iki 80%, o ne leidžiame jiems visiškai išsikrauti ir vėl pilnai įkrauti, elektrodai viduje patiria apie 58 % mažesnį apkrovimą, kas pagal 2023 m. Elektrocheminės draugijos tyrimus. Šis tarpinis strategijos metodas padeda išvengti tokių problemų kaip litio nusodinimas ant anodo ar įtrūkimų susidarymas katodo medžiagoje – tai pagrindinės priežastys, kodėl baterijos laikui bėgant blogėja. Paimkime tikrus pavyzdžius – išmaniuosius telefonus. Įrenginiai, kurie sustabdo įkrovimą pasiekę 80 %, išlaiko apie 92 % pradinės talpos net po 500 pilnų įkrovimo ciklų. Palyginimui, telefonai, kuriuos kiekvieną kartą įkrauna visiškai, po tokio paties ciklų skaičiaus išlaiko tik apie 78 % savo pradinės talpos.

Kodėl 20 %–80 % įkrovos lygio langas sumažina senėjimą ir maksimaliai padidina ličio baterijų ciklų trukmę

Ilga­trukis aukštas ar žemas įkrovos lygis greitina cheminį dėvėjimąsi:

• Virš 90 % SoC : Elektrolito oksidacija sukelia ~1,2 % talpos praradimą per mėnesį
• Žemiau 15 % SoC : Anodo tirpimas lemia ~0,8 % nusidėvėjimą per mėnesį

Mičigano universiteto (2023 m.) tyrimas patvirtino, kad tokia dalinio įkrovimo strategija keturis kartus padidina ciklų skaičių palyginti su giliais išsikrovimais.

Išsikrovimo gylis (DoD) poveikis: nuo 300 ciklų esant 100 % DoD iki daugiau nei 1 200 esant 30 % DoD

Švelnūs išsikrovimai žymiai pailgina naudingo tarnavimo laiką:

Apribodami išsikrovimo gylį iki 30 % sumažinate struktūrinį nuovargį, leidžiantį pasiekti daugiau nei 1 200 ciklų ir išlaikyti 90 %+ talpą – tai ypač svarbu taikant elektrinius automobilius (EV) ir energijos kaupimo sistemas.

Valdykite temperatūros poveikį, kad būtų išvengta šilumos sukeltos pagreitintos senėjimo

Šiluminis degradavimas: kaip kiekvienas +10 °C virš 25 °C sutrumpina ciklinį litio baterijų tarnavimo laiką maždaug 50 %

Kai temperatūra per daug pakyla, ji inicijuoja cheminės reakcijas viduje litio baterijose, kurios laikui bėgant sukelia nuolatinį pažeidimą. Tyrimai rodo, kad jei temperatūra pakyla tik 10 laipsnių Celsijaus virš standartinės 25 °C ribos, baterija sensta apie dvigubai greičiau nei įprastai, kas reiškia mažiau įkrovimo ciklų iš viso. Paimkime bateriją, skirtą 1000 ciklų pavyzdžiui – jei ji veikia reguliariai apie 35 °C, ji gali vos pasiekti 500 ciklų, kol praras reikšmingą talpą. Kodėl? Karštis skaido elektrolito tirpalą, verčia apsauginę SEI sluoksnį augti storesnį nei įprastai ir sukelia katodo metalų išsiskyrimą į sistemą. Net tada, kai baterijos nenaudojamos aktyviai, jų laikymas per karštame vietoje vis tiek stipriai pagreitina jų nusidėvėjimą. Tinkama šilumos valdymo sistema, užtikrinanti veikimą žemiau 30 °C, lieka absoliučiai būtina siekiant išgauti maksimumą iš litio baterijų rimtoms praktinėms aplikacijoms, kur didžiausiai svarbu našumas.

Šalto įkrovimo rizikos: litio nusodinimas ir nuolatinis talpos sumažėjimas žemiau 0 °C

Kai litio baterijos įkraunamos šaldymo sąlygomis, su litio jonais nutinka kažkas bloga. Vietoj to, kad judėtų į anodinę medžiagą, kur jie turėtų keliauti, jie pradeda formuoti metalo kristalus paviršiuje. Šią visą nesėkmę vadiname „litio aplokšnimu“. Dar blogiau tai, kad kartą prasidėjus šiam reiškiniui, pažeidimai yra esminiai ir nuolatiniai. Kiekvieną kartą, kai tai vyksta, talpa sumažėja nuo 5 iki 20 procentų, o šie kristalų dariniai viduje baterijoje auga kaip maži šakelės, galintys sukelti pavojingus trumpuosius jungimus. Dalykai tampa tikrai sudėtingi žemiau nulio laipsnių Celsijaus, nes jonai tiesiog nebe taip judriai juda. Varža baterijoje labai padidėja, kartais siekiant tris kartus didesnę nei normaliai, dėl ko atsiranda erzinantys įtampos šuoliai bandant įkrauti. Tyrimai parodo, kad jei baterija patiria tik dešimt įkrovimo ciklų minus dešimtyje laipsnių Celsijaus, ji susidėvi beveik tiek pat, kiek patirdama šimtą ciklų kambario temperatūroje. Siekiant išvengti visų šių problemų, dauguma ekspertų rekomenduoja prieš pradedant įkrovimo procesą pakaitinti baterijas bent iki penkių laipsnių Celsijaus. Šis paprastas žingsnis padeda išsaugoti baterijos tarnavimo laiką net ir tais sunkiais žiemos sąlygomis, su kuriomis susiduria daugelis žmonių.

Proaktyviai apsaugoti naudokite protingas baterijų valdymo sistemas

Baterijų valdymo sistemos (BMS) veikia kaip litio baterijų „smegenys“, nuolat stebėdamos įtampą, srovės tekėjimą, temperatūros pokyčius ir likusį krūvį. Šios sistemos kruopščiai dirba tam, kad baterijos per greitai nesusidėvėtų. Kai atsiranda per didelė įtampa ar kaupiasi šiluma, jos automatiškai sulėtina įkrovimo greitį arba visiškai nutraukia maitinimą, kad apsaugotų nuo pažeidimų. Gerą BMS taip pat užtikrina, jog baterijos nebūtų iki galo iškraunamos, nes tai gali žymiai sutrumpinti jų tarnavimo laiką – kartais net sumažinti jį beveik keturis kartus, palyginti su daliniu iškrovimu. Temperatūros valdymas yra dar viena svarbi funkcija, kadangi net 10 laipsnių Celsijaus padidėjimas virš kambario temperatūros gali sumažinti baterijos gyvavimo trukmę beveik du kartus. Kai kurie naujesni modeliai aprūpinti protinga programine įranga, kuri aptinka ląstelių tarpusavio problemas dar prieš jiems tapant rimtomis, tuomet perkels energiją taip, kad išlygintų apkrovas ir neleistų kai kurioms zonoms senėti greičiau už kitas. Visos šios apsaugos kartu padeda pratęsti litio baterijų tarnavimo laiką ir žymiai sumažina pavojingus gedimus, tokius kaip šiluminis nestabilumas, apie kurį kartais pranešama naujienose.

Taikykite tinkamus saugojimo ir priežiūros metodus ilgalaikiam stabilumui užtikrinti

Idealus saugojimas esant 40 %–60 % įkrovos lygiui vėsiose, sausose sąlygose: kalendorinio senėjimo mažinimas iki 70 %

Ličio baterijos tarnauja žymiai ilgiau, jei tinkamai saugomos, nes tai padeda išvengti taip vadinamo kalendorinio senėjimo – būsenos, kai jos praranda talpą tiesiog gulėdamos ne naudojamos. Laikant jas įkrautas apie 40–60 %, mažiau apkraunami vidiniai komponentai, o saugojimas šaltoje vietoje, pageidautina temperatūra nuo 15 iki 25 laipsnių Celsijaus, sulėtina chemines reakcijas, kurios galiausiai suyra vidaus dalis. Taip pat oras neturėtų būti per drėgnas – geriausiai tinka drėgnumas žemiau 50 %, kadangi drėgmė gali sukelti problemų, tokių kaip korozija ar net baterijos skysčių nutekėjimą. Šių rekomendacijų laikymasis duoda tikrą efektą: metinė talpos netektis gali būti sumažinta iki 70 % lyginant su baterijų palikimu visiškai įkrautų šiltesnėse sąlygose, pavyzdžiui, esant apie 35 laipsnių temperatūrai. Tiems, kurie planuoja baterijas ilgą laiką saugoti, vertėtų kartkartėmis patikrinti jų įtampą, kad įsitikintų, jog ji išlieka optimaliuose rėžiuose. Šis paprastas veiksmas užkerta kelią pažeidimams dėl pilno išsikrovimo per mėnesius ar net metus nenaudojant.

Venkite aukšto krūvio ir perkrovos sąlygų, kurios pagreitina nusidėvėjimą

Greito įkrovimo kompromisai: 20–30 % mažesnis litio baterijos ciklo tarnavimo laikas esant 2C prie standartinio 0,5C įkrovimo

Kai kalbame apie greitą krovimą ir iškrovimą, litio jonų elementai elektrocheminiu požiūriu patiria didelę apkrovą. Kraunant 2C greičiu baterija pilnai įkraunama vos per pusvalandį, tačiau tai turi savo kainą. Tyrimai parodo, kad tokiomis sąlygomis naudojamos baterijos tarnauja tik apie 70–80 % nuo standartiniu 0,5C greičiu kraunamų baterijų trukmės. Šios degradacijos priežastis slypi vykstančiuose procesuose viduje per greitus ciklus. Greitai judantys jonai sukelia elektrolito skilimą kur kas greičiau nei įprastai, taip pat pagreitina SEI sluoksnio susidarymą ant elektrodų, o tai ilgainiui sumažina bendrą talpą. Be to, nereikėtų pamiršti ir perkrovimo. Ši praktika sukelia įvairias žalingas chemines reakcijas baterijoje, kurios gali rimtai pažeisti jos vidaus komponentus ir žymiai sutrumpinti naudingo tarnavimo laiką.

• Termobegimo rizika per didelis įtampis sukelia šilumos kaupimąsi (>60 °C), pagreitindamas katodo degradaciją
• Litio nusėdymas : Metalinis litis nusėda ant anodų esant temperatūrai žemesnei nei 0 °C per įkrovimą, sukeliant neatspėjamą talpos praradimą
• Konstrukciniai pažeidimai : Per didelis įkrovimas išplečia grafito anodus už projektinių ribų, sukeldamas elektrodų medžiagų plyšimą

Optimalūs įkrovimo protokolai suderina greitį ir ilgaamžiškumą. Norint maksimaliai pailginti ciklinį litio baterijų tarnavimo laiką, kiek įmanoma ribokite įkrovimą iki ‹1C ir naudokite išmaniuosius įkroviklius, kurie automatiškai sustabdo įkrovimą pasiekus 100 % įtampą. Energijos reikalaujančioms aplikacijoms (pvz., varikliniams įrankiams) naudinga termoreguliacijos sistema, kuria kompensuojamas degradacijos poveikis dėl dažnų greitų ciklų.

Dažnai užduodami klausimai

Koks yra optimalus įkrovos lygio (SoC) diapazonas litio baterijoms?

Optimalus įkrovos lygio (SoC) diapazonas litio baterijoms yra tarp 20 % ir 80 %, nes tai sumažina elektrocheminę apkrovą ir pailgina baterijos tarnavimo laiką.

Kaip temperatūra veikia litio baterijų ciklinį tarnavimo laiką?

10 °C virš standartinės veikimo temperatūros 25 °C padidėjimas gali sumažinti litio baterijos ciklų trukmę maždaug 50 %, tuo tarpu veikimas šalčiuose gali sukelti litio nusodinimą ir nuolatinį talpos praradimą.

Kas yra litio nusodinimas?

Litinis nusodinimas atsiranda tada, kai litio jonai suformuoja metalo kristalus baterijos anodo paviršiuje, įkraunant šalčiuose, dėl ko prarandama talpa negrįžtamai.

Kaip baterijų valdymo sistemos (BMS) apsaugo litio baterijas?

BMS apsaugo litio baterijas stebėdamos įtampą, srovę, temperatūrą ir įkrovimo lygius bei automatiškai reguliuodamos įkrovimo greitį arba nutraukdamos maitinimą, kad būtų išvengta pažeidimų.