Оптимізуйте діапазон стану заряду, щоб мінімізувати електрохімічні напруження

Підтримання літій-іонних акумуляторів у робочому стані протягом тривалого часу означає правильне керування процесом їх зарядки. Якщо дотримуватися діапазону заряду приблизно від 20% до 80%, замість того, щоб заряджати акумулятор від повного розряду до повного заряду, електроди всередині піддаються приблизно на 58% меншому навантаженню, згідно з дослідженням Електрохімічного товариства 2023 року. Ця так звана стратегія середнього діапазону допомагає запобігти таким проблемам, як утворення літієвого покриття на аноді та утворення тріщин у матеріалі катода, що є основними причинами деградації акумуляторів із часом. Візьмемо смартфони як практичний приклад. Пристрої, які припиняють зарядку при досягненні 80%, зберігають близько 92% своєї початкової ємності навіть після 500 повних циклів заряду. Порівняйте це з телефонами, які заряджаються повністю кожного разу: після такої ж кількості циклів вони зберігають лише близько 78% початкової ємності.

Чому діапазон заряду 20%–80% зменшує деградацію та максимізує термін служби літій-іонних акумуляторів

Тривалі високі або низькі рівні заряду прискорюють хімічне старіння:

• Понад 90% SoC : Окислення електроліту призводить до втрати ємності близько 1,2% на місяць
• Нижче 15% SoC : Розчинення аноду призводить до деградації близько 0,8% на місяць

Дослідження Університету Мічигану (2023) підтвердило, що стратегія часткового заряду подовжує термін служби в чотири рази порівняно з глибоким розрядом.

Вплив глибини розряду (DoD): від 300 циклів при 100% DoD до понад 1 200 при 30% DoD

Мілкі розряди значно подовжують корисний термін експлуатації:

Обмеження глибини розряду до 30% зменшує структурну втому, забезпечуючи понад 1 200 циклів і збереження ємності на рівні 90% і більше — це критично важливо для застосувань, таких як EV та системи накопичення енергії.

Контроль температурного впливу для запобігання термічному прискореному старінню

Деградація від нагріву: як кожні +10°С понад 25°С скорочують термін циклу літієвих акумуляторів приблизно на 50%

Коли температура піднімається занадто високо, у літій-іонних акумуляторах запускаються хімічні реакції, що з часом призводять до постійного пошкодження. Дослідження показують, що якщо температура підвищується всього на 10 градусів Цельсія понад стандартні 25 °C, швидкість старіння акумулятора зростає приблизно вдвічі, що означає менше циклів заряду загалом. Візьмемо, наприклад, акумулятор, розрахований на 1000 циклів: якщо він працюватиме зазвичай за температури близько 35 °C, він може витримати лише близько 500 циклів, перш ніж суттєво втратить ємність. Чому так відбувається? Тепло руйнує електроліт, сприяє надмірному утворенню захисного шару SEI та викликає виділення металів катода в систему. Навіть коли акумулятори не використовуються активно, збереження їх за підвищеною температурою все одно значно прискорює процес деградації. Забезпечення роботи при температурі нижче 30 °C шляхом належного теплового управління залишається абсолютно необхідним для максимально ефективного використання літій-іонних акумуляторів у серйозних практичних застосуваннях, де важливі продуктивність і надійність.

Ризики зарядки в холодну погоду: утворення літієвого покриття та постійна втрата ємності нижче 0°C

Коли літій-іонні акумулятори заряджаються в заморожених умовах, з літієвими іонами відбувається небезпечне явище. Натомість того, щоб проникнути в матеріал аноду, куди їм потрібно потрапити, вони починають утворювати металичні кристали на поверхні. Ми називаємо цей процес «літієвим плакуванням». Ще більше погіршує ситуацію те, що коли це починається, пошкодження є практично постійним. Кожного разу, коли це відбувається, ємність знижується приблизно на 5–20%, а ці кристалічні утворення ростуть всередині акумулятора гіллястими структурами, що може призвести до небезпечних коротких замикань. Справи особливо ускладнюються нижче нульової межі за Цельсієм, оскільки іони просто вже не рухаються так легко. Опір всередині акумулятора значно зростає — іноді збільшуючись утричі порівняно з нормальним рівнем, — що призводить до тих неприємних стрибків напруги під час зарядки. Дослідження показують, що якщо акумулятор проходить лише десять циклів зарядки при мінус десяти градусах за Цельсієм, він зазнає приблизно такого ж зносу, як і після ста циклів при кімнатній температурі. Щоб уникнути всіх цих проблем, більшість експертів рекомендують попередньо прогрівати акумулятори щонайменше до п’яти градусів за Цельсієм перед початком будь-якого процесу зарядки. Цей простий крок допомагає зберегти термін служби акумулятора навіть у важких зимових умовах, з якими стикаються багато людей.

Використовуйте інтелектуальні системи управління акумуляторами для проактивного захисту

Системи управління акумуляторами (BMS) виступають мозком літієвих акумуляторів, постійно відстежуючи такі параметри, як рівні напруги, струм, зміни температури та залишковий заряд. Ці системи запобігають надмірному зносу акумуляторів. Коли виникає надмірна напруга або перегрів, вони автоматично зменшують швидкість заряджання або повністю вимикають живлення, щоб уникнути пошкодження. Якісна система BMS також запобігає повному розряджанню акумулятора, оскільки це може значно скоротити термін його служби — іноді до чверті від нормального терміну порівняно з частковим розрядом. Контроль температури — ще одна важлива функція, адже навіть підвищення на 10 градусів Цельсія понад кімнатну температуру може скоротити термін життя акумулятора майже вдвічі. Деякі новіші моделі оснащені розумним програмним забезпеченням, яке виявляє проблеми між елементами до того, як вони стануть серйозними, після чого перерозподіляє енергію для вирівнювання навантаження та запобігання прискореному старінню окремих ділянок. Усі ці механізми захисту разом продовжують термін служби літієвих акумуляторів і суттєво зменшують небезпечні відмови, такі як теплові викиди, про які іноді повідомляють у новинах.

Застосовуйте правильні практики зберігання та обслуговування для довгострокової стабільності

Ідеальне зберігання при рівні заряду 40–60 % в прохолодних і сухих умовах: скорочення календарного старіння до 70 %

Літієві акумулятори значно довше зберігають свій ресурс при правильному зберіганні, оскільки це допомагає запобігти так званому календарному старінню — явищу, коли вони втрачають ємність просто внаслідок простою без використання. Підтримання заряду на рівні близько 40–60 % зменшує навантаження на внутрішні компоненти, а зберігання в прохолодному місці, ідеально за температури від 15 до 25 градусів Цельсія, уповільнює хімічні реакції, які з часом призводять до деградації всередині акумулятора. Повітря не повинне бути надто вологим — оптимальний рівень вологості нижче 50%, оскільки волога може спричинити корозію або навіть витік електроліту з самого акумулятора. Дотримання цих рекомендацій дає суттєвий ефект: щорічну втрату ємності можна зменшити аж на 70% порівняно зі зберіганням акумуляторів у повністю зарядженому стані за температури близько 35 градусів. Ті, хто планує довготривале зберігання акумуляторів, повинні періодично перевіряти їхній рівень напруги, щоб впевнитися, що він залишається в оптимальному діапазоні. Цей простий крок запобігає пошкодженню акумуляторів через повне розрядження під час місяців або років простою.

Уникайте умов високих струмів і перезаряду, які прискорюють деградацію

Компроміси швидкої зарядки: зменшення терміну служби літій-іонних акумуляторів на 20–30% при зарядці 2C порівняно зі стандартною зарядкою 0,5C

Коли ми говоримо про швидке заряджання та розряджання, літій-іонні елементи дійсно зазнають значних електрохімічних впливів. Заряджання струмом 2C означає повне заряджання батареї всього за пів години, але це має свою ціну. Дослідження показують, що термін служби батарей, які піддаються таким умовам, становить приблизно 70–80 % від терміну служби тих, що заряджаються стандартним струмом 0.5C. Причина цього полягає в процесах, що відбуваються всередині елемента під час швидкого заряджання. Швидко рухомі іони призводять до прискореного розкладання електроліту, а також сприяють швидшому утворенню SEI-шару на електродах, що з часом зменшує загальну ємність. І не варто забувати про перезаряджання. Ця практика призводить до численних шкідливих хімічних реакцій всередині акумулятора, які можуть серйозно пошкодити його внутрішні компоненти та значно скоротити термін корисного використання.

• Ризик теплового пробію : Надлишкову напругу призводить до накопичення тепла (>60 °C), що прискорює деградацію катоду
• Утворення літієвих шарів : Металевий літій відкладається на анодах нижче 0°C під час зарядки, що призводить до незворотної втрати ємності
• Пошкодження конструкції : Перезарядка розширює графітові аноди за межами проектних обмежень, викликаючи тріщини в електродних матеріалах

Оптимальні протоколи зарядки забезпечують баланс між швидкістю та довговічністю. Для максимальної кількості циклів заряду літієвих акумуляторів обмежуйте швидкість зарядки ‹1C, коли це можливо, і використовуйте розумні зарядні пристрої, які завершують зарядку при досягненні 100% напруги. Високонавантажені застосунки (наприклад, електроінструменти) виграють від систем терморегулювання, що запобігають деградації під час швидких циклів.

Часто задані питання (FAQ)

Який оптимальний діапазон стану заряду (SoC) для літієвих акумуляторів?

Оптимальний діапазон SoC для літієвих акумуляторів становить від 20% до 80%, оскільки це мінімізує електрохімічне навантаження та подовжує термін служби акумулятора.

Як температура впливає на кількість циклів заряду літієвих акумуляторів?

Збільшення температури на 10°C порівняно зі стандартною робочою температурою 25°C може скоротити термін циклу літій-іонних акумуляторів приблизно на 50%, тоді як експлуатація в умовах замерзання може призвести до утворення літієвого покриття та постійної втрати ємності.

Що таке утворення літієвого покриття?

Утворення літієвого покриття відбувається, коли іони літію утворюють кристали металу на поверхні анода акумулятора під час зарядки за низьких температур, що призводить до незворотної втрати ємності.

Як системи управління акумуляторами (BMS) захищають літій-іонні акумулятори?

BMS захищають літій-іонні акумулятори, контролюючи напругу, струм, температуру та рівень заряду, а також автоматично регулюючи швидкість зарядки або вимикаючи живлення для запобігання пошкодженню.