Mi okozza a lítium-ion akkuk pusztulását?
(szakértői elemzés)

A lítium-ion akkumulátorok működése közben, a pozitív és negatív elektródok között ionmozgások történnek. Elméletileg egy ilyen mechanizmusnak örökké működnie kellene, de a töltési ciklusok, az emelkedett hőmérséklet és az idővel csökken a teljesítmény. A gyártók konzervatív megközelítést alkalmaznak, és a legtöbb termékben a Li-ion akkuk élettartamát 300 és 500 kisütési / töltési ciklus között határozzák meg.

2020-ban a kis hordozható akkumulátorok körülbelül 300 ciklust bírnak, míg a modern okos telefonok élettartama legalább 800 ciklus. A legnagyobb előrelépés az EV (elektromos autók) akkumulátoraiban történik, az egymillió mérföldes akkumulátorról szóló leírások, 5000 ciklust jelentenek.

Az akkumulátor élettartamának értékelése a töltési/kisütési ciklusokban nem egyértelműek, mert a kisülés mélysége eltérhet, és nincsenek egyértelműen meghatározott szabványok arról, hogy mi minősül ciklusnak. A ciklusszám helyett néhány eszközgyártó javasolja az elem cseréjét egy dátumbélyegzőn, de ez a módszer nem veszi figyelembe a felhasználást. Az akkumulátor a megadott időn belül meghibásodhat a túlterhelt használat vagy a kedvezőtlen hőmérsékleti viszonyok miatt is. A legtöbb akku csomag azonban jóval hosszabb ideig tart, mint amit a bélyegző mutat.

Az akkumulátor teljesítményét kapacitásban mérik, ez a legfőbb állapot mutató. A belső ellenállás és az önkisülés szintén szerepet játszik, de ezek kevésbé jelentősek az akkumulátor élettartamának megjóslásában.

Forrás: https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries

Az 1. ábra 11 Li-polimer akkumulátor kapacitáscsökkenését szemlélteti, melyeket egy Cadex laboratóriumban megfordultak. A mobiltelefonok 1500mAh tasakcelláit először 1500mA (1C) - 4,20V / cellatöltéssel töltötték fel, majd a teljes töltöttség részeként 0,05C (75mA) értékkel telítették (zárótöltés). Az akkukat ezután 1500 mA-rel 3,0 V / cellára lemerítették, és a ciklust megismételték. A Li-ion akkumulátorok várható kapacitásvesztése egyenletes volt a lemerítési 250 ciklus alatt, és az akkuk a várt módon teljesítettek.

1. ábra: Kapacitáscsökkenés a ciklus alatt. Tizenegy új Li-iont teszteltek egy Cadex C7400 akkumulátor analizátorral. Valamennyi csomag 88–94% -os kapacitással indult, és 250 teljes kisütési ciklus után 73–84% -ra csökkent. Az 1500mAh tasakokat mobiltelefonokban használják.

Bár az akkumulátornak az első üzemévben 100 százalékos kapacitást kell biztosítania, gyakran látni a megadottnál alacsonyabb kapacitásokat, és az eltarthatóság hozzájárulhat ehhez a veszteséghez. Ezen kívül, a gyártók hajlamosak túlértékelni az akkumulátorokat, tudván, hogy nagyon kevés felhasználó végez szúrópróbaszerű ellenőrzést és panaszkodik, ha eltérnek. Ha nem kell egyetlen cellát összehangolnia a mobiltelefonokban és a táblagépekben, ahogyan azt a többcellás csomagokban megköveteli, az sokkal szélesebb körű teljesítmény-elfogadáshoz vezethet. Az alacsonyabb kapacitású cellák  a fogyasztó észrevétele nélkül átcsúszhatnak.

Hasonlóan egy mechanikus eszközhöz, amely nagyobb igénybevétel esetén gyorsabban elhasználódik, a kisütés mélysége (DoD) meghatározza az akkumulátor ciklusszámát. Minél kisebb a kisütés (alacsony DoD), annál hosszabb ideig tart az akkumulátor. Ha csak lehetséges, kerülje a teljes lemerülést, és gyakrabban töltse fel az akkumulátort használat közben. A Li-ion részleges kisülése nem probléma. Nincs memóriaeffektus, és az élettartam meghosszabbításához az akkumulátornak nincs szüksége periodikus teljes kisütési/feltöltési ciklusokra. Kivételt képezhet az intelligens akkumulátor vagy intelligens eszköz kapacitásmérőjének időszakos kalibrálása.

Az alábbi táblázatok a kobalt-alapú lítium-ion feszültséggel kapcsolatos kapacitásveszteségeit mutatják be. A lítium-vas-foszfát és a lítium-titanát feszültségei alacsonyabbak, és nem vonatkoznak a megadott feszültségreferenciákra.

A 2. táblázat becslése szerint a Li-ion különféle DoD-szinteken képes leadni a töltési / kisütési ciklusokat, mielőtt az akkumulátor kapacitása 70 százalékra csökken. A DoD egy teljes töltést jelent, amelyet egy kisütés követ a táblázatban feltüntetett töltöttségi szint (SoC) szintjére.

2. táblázat: A ciklus élettartama a kisütés mélységének függvényében .
* A részleges kisülés csökkenti a stresszt és meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, így a részleges töltés is. A megemelkedett hőmérséklet és a nagy áram hatással van a ciklus életére is.

Megjegyzés: A 100% DoD egy teljes ciklus; 10% nagyon rövid. A ciklusok közepes töltésű állapotban lenne a legjobb élettartam.

A lítium-ion hő hatására stresszt szenved, valamint ha a cellát magas töltőfeszültségen tartja. A 30 ° C (86 ° F) felett tartózkodó akkumulátort magas hőmérsékletnek tekintik, és a legtöbb Li-ion esetében a 4,10 V / cella feletti feszültséget tekintik magas feszültségnek . Ha az akkumulátort magas hőmérsékletnek tesszük ki, és hosszabb ideig teljes töltöttségi állapotban tartózkodunk, stresszesebb lehet. A 3. táblázat a kapacitásveszteséget mutatja be a hőmérséklet és az SoC függvényében.

3. táblázat: Becsült visszanyerhető kapacitás, ha a Li-iont egy évig különböző hőmérsékleteken tárolják. A megemelt hőmérséklet meggyorsítja a tartós kapacitásvesztést. Nem minden Li-ion rendszer viselkedik egyformán.

A legtöbb Li-ion 4,20 V / cellára töltődik, és a csúcstöltési feszültség minden 0,10 V / cellás csökkenése megduplázza a ciklus élettartamát. Például egy 4,20 V / cellára feltöltött lítium-ion cella általában 300–500 ciklust bír. Ha csak 4,10 V / cellára töltik, akkor az élettartalma 600–1000 ciklusra meghosszabbítható. A 4,0 V / cella 1200–2000, a 3,90 V / cella pedig 2400–4000 ciklust biztosít.

Negatívumként az alacsonyabb csúcstöltési feszültség csökkenti az akkumulátor kapacitását. Egyszerű iránymutatásként a töltőfeszültség minden 70 mV-os csökkentése 10% -kal csökkenti a teljes kapacitást. A csúcstöltési feszültség későbbi feltöltésével visszaállítja a teljes kapacitást.

A hosszú élettartamot tekintve az optimális töltési feszültség 3,92 V / cella. Az akkuszakértők úgy vélik, hogy ez a küszöb kiküszöböli az összes feszültséggel kapcsolatos problémát, az alacsonyabb lefelé haladás nem nyerhet további előnyöket, de más problémákat vált ki. A 4. táblázat összefoglalja a kapacitást a töltésszintek függvényében. (Minden érték becsült; a magasabb feszültségű küszöbértékű energiacellák eltérhetnek.)

4. táblázat: A kisütési ciklusok és a kapacitás a töltési feszültség határának függvényében. Minden 0,10 V-os 4,20 V / cella alá esés megduplázza a ciklust, de kevesebb kapacitással rendelkezik. A feszültség 4,20 V / cella fölé emelése lerövidíti az élettartamot. Az eredmények a rendszeres Li-ion töltést tükrözik 4,20 V / cellára vonatkoztatva.

Irányelv: Minden 70 mV-os töltési feszültségesés 10% -kal csökkenti a hasznos kapacitást.

Megjegyzés: A részleges töltés tagadja a Li-ion előnyét a magas fajlagos energia szempontjából.

* Hasonló életciklusok vonatkoznak a különböző feszültségszintű akkumulátorokra teljes feltöltéssel.

** Teljesen újratöltött, 100% -os kapacitású akkumulátoron alapul.

Kísérlet: A svéd Chalmers Műszaki Egyetem jelentése szerint a csökkentett 50% -os SOC töltöttségi szint használata 44–130% -kal növeli a jármű Li-ion akkumulátorának várható élettartamát.

A mobiltelefonok, laptopok, táblagépek és digitális fényképezőgépek legtöbb töltője 4,20 V / cellás lítium-iont töltő. Ez lehetővé teszi a maximális kapacitást, mert a fogyasztó nem akar kevesebbet, mint a legtöbb futásidőt. Az ipar viszont jobban aggódik a hosszú élettartam miatt, és választhat alacsonyabb feszültségküszöböt. Ilyenek például a műholdak és az elektromos járművek.

Biztonsági okokból sok lítium-ion nem haladhatja meg a 4,20 V / cellát. (Néhány NMC kivétel.) Míg a nagyobb feszültség növeli a kapacitást, a feszültség túllépése lerövidíti az élettartamot és veszélyezteti a biztonságot. Az 5. ábra a ciklusszámlálást mutatja a töltési feszültség függvényében. 4,35 V feszültség mellett a szabályos Li-ion ciklusainak száma felére csökken.

5. ábra: A ciklus élettartamára gyakorolt ​​hatás magas emelt feszültség mellett.
A magasabb töltési feszültség növeli a kapacitást, de csökkenti a ciklus élettartamát és veszélyezteti a biztonságot.

^{Forrás: Choi et al. (2002)}

Amellett, hogy kiválasztja a legmegfelelőbb feszültségküszöböket egy adott alkalmazáshoz, a szabályos Li-ion nem maradhat hosszabb ideig a 4,20 V / cella magas feszültségű plafonon. A Li-ion töltő kikapcsolja a töltőáramot, és az akkumulátor feszültsége természetesebb szintre áll vissza. Ez olyan, mint az izmok ellazítása egy megerőltető gyakorlat után.

A 6. ábra a dinamikus stresszteszteket (DST) szemlélteti, amelyek tükrözik a kapacitásveszteséget, amikor a Li-iont különféle töltési és kisütési sávszélességeken végezzük. A legnagyobb kapacitásveszteség akkor fordul elő, ha egy teljesen feltöltött Li-iont 25% SoC-ig (fekete) ürítenek; a veszteség nagyobb lenne, ha teljesen lemerítenénk. A 85 és 25 százalék közötti (zöld) ciklusok hosszabb élettartamot biztosít, mint a 100 százalékos és 50 százalékos (sötétkék) töltés. A legkisebb kapacitásveszteséget akkor érik el, ha a Li-iont 75% -ig töltik, és 65% -ig merítik le. Ez azonban nem használja ki teljesen az akkumulátort. A magas feszültségek és a magas hőmérsékletnek való kitettség állítólag gyorsabban károsítják az akkumulátort, mint normál körülmények közötti ciklusok.

6. ábra: A kapacitásveszteség a töltés és a kisütési sávszélesség függvényében.
* A Li-ion töltése és kisütése csak részben meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, de csökkenti a kihasználtságot. 1. eset: 75–65% SoC a leghosszabb ciklusidővel rendelkezik, de csak 90 000 energiaegységet szállít (EU). Az akkumulátor 10% -át kihasználja. 2. eset: 75–25% -os SoC 3000 ciklusú (90% -os kapacitással), és 150 000 EU-t szállít. Az akkumulátor 50% -át kihasználja. (EV akkumulátor, új.) 3. eset: 85–25% SoC 2000 ciklust tartalmaz. 120 000 EU-t szállít. Az akkumulátor 60% -át használja fel.   4. eset: 100–25% SoC; hosszú üzemidő 75% -os akkumulátorhasználattal. Rövid élete van. (Mobiltelefon, drón stb.)

Eltérések vannak a 2. táblázat és a 6. ábra között a ciklusok számával kapcsolatban. Az akku minőségének és a vizsgálati módszerek különbségének feltételezésén kívül nincsenek egyértelmű magyarázatok. Az alacsony költségű fogyasztói és tartós ipari minőségek közötti eltérések szintén szerepet játszhatnak. A kapacitás megtartása gyorsabban csökken magas hőmérsékleten, mint 20 ° C-on.

Csak egy teljes ciklus biztosítja az akkumulátor meghatározott energiáját. Egy modern energiacellával ez körülbelül 250Wh / kg, de a ciklus élettartama veszélybe kerül. Bár lineáris, az életet meghosszabbító 85-25 százalékos középtartomány 60 százalékra csökkenti az energiát, és ez egyenértékű a fajlagos energiasűrűség mérséklésével 250Wh / kg-ról 150Wh / kg-ra. A mobiltelefonok olyan fogyasztási cikkek, amelyek az akkumulátor teljes energiáját felhasználják. Az ipari eszközök, mint például az EV, általában az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében a töltést 85% -ra, a lemerülést pedig 25% -ra, vagyis 60% -os energiafelhasználásra korlátozzák.

A ciklusmélység növelése emeli a Li-ion cellák belső ellenállását is. A 7. ábra a DC ellenállási módszerrel mérve 61 százalékos ciklusmélységben mutatott éles emelkedést szemlélteti. Az ellenállás növekedése tartós.

7. ábra: A belső ellenállás éles növekedése a Li-ion ciklusmélységének növelésével.
Megjegyzés: A DC módszer más belső ellenállási értékeket ad le, mint az AC módszer (zöld keret). A legjobb eredmény elérése érdekében használja a DC módszert a terhelés kiszámításához.
^{Forrás: Technische Universität München (TUM)}

A 8. ábra extrapolálja a 6. ábra adatait a Li-ion várható ciklusának kitágítására egy extrapolációs program alkalmazásával, amely az akkumulátor kapacitásának lineáris bomlását feltételezi progresszív ciklus mellett. Ha ez igaz lenne, akkor a 75% –25% SoC (kék) tartományba eső Li-ion akkumulátor 14 000 ciklus után 74% -os kapacitássá válna. Ha ezt az akkumulátort 85% -ra töltenék ugyanolyan kisütési mélységgel (zöld), akkor a kapacitás 14 000 ciklusnál 64% -ra csökken, és 100% -os töltéssel ugyanezzel a DoD-val (fekete) a kapacitás 48% -ra csökken . Ismeretlen okokból kifolyólag a valós élet várható élettartama alacsonyabb, mint a szimulált modellezésnél.

8. ábra: Az akkumulátor élettartamának prediktív modellezése extrapolációval.
A lítium-ion akkumulátorokat három különböző SoC-szintre töltik fel, és a ciklus élettartamát modellezik. A töltési tartomány korlátozása meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, de csökkenti a leadott energiát. Ez a megnövekedett súlyban és a magasabb kezdeti költségekben jelentkezik.
^{Használat engedélyével. Interpoláció / extrapoláció az OriginLab segítségével.}

Az akkumulátorgyártók gyakran meghatározzák az akkumulátor ciklus idejét egy 80% DoD-vel. Ez praktikus, mert az akkumulátoroknak a normál használat során fel kell tölteniük bizonyos tartalékot, mielőtt feltöltődnének. A laboratóriumi tesztek gyakran olyan számokat kapnak, amelyek nem érhetők el a terepen.

Mit tehet a felhasználó?

A lítium-ion akkumulátorok hosszú élettartamát a környezeti viszonyok szabják meg. A legrosszabb helyzet a teljesen feltöltött akkumulátor magas hőmérsékleten tartása. Az akkumulátorok nem halnak meg hirtelen, de az üzemidő fokozatosan lerövidül, ahogy a kapacitás csökken.

Az alacsonyabb töltési feszültség meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát, és ezt elektromos járművek és műholdak használják ki. Hasonló rendelkezéseket lehetne hozni a fogyasztói eszközökre is, de ezeket ritkán kínálják; a tervezett elavulás gondoskodik erről.

A laptop akkumulátora meghosszabbodhat a töltési feszültség csökkentésével, amikor az AC hálózathoz csatlakozik. A szolgáltatás felhasználóbaráttá tétele érdekében egy eszköznek tartalmaznia kell egy „Hosszú élettartam” üzemmódot, amely az akkumulátort 4,05 V / cellán tartja és körülbelül 80 százalékos SoC-t kínál. Egy órával az utazás előtt a felhasználó kéri a „Teljes kapacitás” módot, hogy a töltés 4,20 V / cellára emelkedjen.

Felteszik a kérdést: „Ha nem használom, akkor le kell választanom a laptopomat az elektromos hálózatról?” Normális körülmények között erre nincs szükség, mert a töltés akkor áll le, amikor a lítium-ion akkumulátor megtelik. A feltöltést csak akkor töltik fel, ha az akkumulátor feszültsége egy bizonyos szintre csökken. A legtöbb felhasználó nem távolítja el az áramellátást, és ez a gyakorlat biztonságos.

A modern laptopok hűvösebben működnek, mint a régebbi modellek, és a jelentett tűzesetek száma kevesebb. Mindig akadálytalanul tartsa a légáramlást, ha ágyon vagy párnán üzemeltet levegőhűtéses elektromos készülékeket. A hűvös laptop meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát és védi a belső alkatrészeket. Az energiacellákat, amelyek a legtöbb fogyasztási cikkben vannak, 1C-on vagy alacsonyabb árammal kell tölteni. Kerülje az úgynevezett ultragyors töltőket, amelyek azt állítják, hogy kevesebb mint egy órán belül teljesen feltöltik a Li-iont.