Оскільки світ переходить на чисту енергію та стійкі джерела, літій-іонні (Li-ion) акумулятори стають дедалі популярнішими. Ці акумулятори, завдяки високій щільності енергії та тривалому терміну служби, революціонізували індустрію акумуляторів. Однак одне з питань, яке ставлять багато користувачів: «Як довго служать літій-іонні акумулятори?» У цій статті ми розглянемо це питання та розглянемо, як акумулятори LiFePO4, вдосконалений тип літій-іонного акумулятора, працюють з точки зору терміну служби.
Частина 1: Що таке літій-іонні акумулятори?
Літій-іонні акумулятори, включаючи літій-залізофосфатні (LiFePO4) акумулятори, – це акумуляторні батареї, в яких основним компонентом електроліту є іони літію. LiFePO4 акумулятори мають кілька переваг порівняно з іншими типами акумуляторів, зокрема довший термін служби, вищу ефективність та щільність енергії, менші вимоги до обслуговування, безпеку та екологічність. Ці характеристики роблять їх ідеальними для автономних систем живлення, високопродуктивних застосувань та мобільних застосувань.
Літій-іонні акумулятори часто використовуються як стартерні акумулятори в транспортних засобах завдяки їхній високій щільності енергії та малій вазі. Вони добре підходять для цього застосування, оскільки можуть видавати короткий імпульс високого струму для запуску двигуна. Літій-іонні акумулятори, що використовуються як стартерні акумулятори, зазвичай мають меншу ємність і не повинні бути глибоко розряджені, щоб уникнути пошкодження.
На відміну від них, LiFePO4-акумулятори чудово витримують глибокі цикли зарядки/розрядки. Вони можуть витримувати часті глибокі розрядки, що робить їх ідеальними для зберігання відновлюваної енергії та інших застосувань глибоких циклів зарядки/розрядки. Вони мають довший термін служби циклів, ніж літій-іонні акумулятори, і можуть забезпечувати високу потужність протягом тривалого часу. Дізнайтеся більше про відмінності між цими двома типами акумуляторів у статті LiFePO4 проти літій-іонних акумуляторів: який акумулятор вибрати?
Частина 2: Як довго служать літій-іонні акумулятори?
Стандартний літій-іонний акумулятор служить в середньому 2-3 роки, залежно від використання. Однак, цей термін служби може бути продовжений до п'яти років, якщо акумулятор належним чином обслуговувати та використовувати відповідно до інструкцій виробника. Літій-іонні акумулятори також чутливі до температури, а високі температури можуть значно скоротити термін їхньої служби. Важливо зберігати літій-іонний акумулятор у сухому та прохолодному місці, щоб уникнути впливу тепла та продовжити термін його служби.
LiFePO4-акумулятори – це більш просунутий та екологічний тип літій-іонних акумуляторів, який стає все більш популярним у акумуляторній галузі. Ці акумулятори мають довший термін служби, ніж звичайні літій-іонні акумулятори, до 10 років і більше. LiFePO4-акумулятори також надзвичайно стабільні та безпечні, що є більш надійним та екологічним рішенням для автономного енергопостачання та мобільних застосувань.
Ключовою перевагою акумуляторів LiFePO4 є їхня здатність витримувати більше циклів заряджання та розряджання. У той час як стандартні літій-іонні акумулятори витримують 500-1000 циклів, акумулятори LiFePO4 можуть витримувати до 2000 циклів, що робить їх більш довговічним та економічно ефективним рішенням у довгостроковій перспективі. Акумулятори LiFePO4 від Litime можуть мати термін служби 4000-15000 циклів, що забезпечує термін служби понад 10 років, і є ідеальною альтернативою свинцево-кислотним акумуляторам. Крім того, акумулятори LiFePO4 набагато безпечніші за звичайні літій-іонні акумулятори, оскільки їхній хімічний склад робить їх менш схильними до перегріву або вибухів.
LiTime пропонує високоякісні LiFePO4 акумулятори, розроблені для тривалішого терміну служби, вищої ефективності та екологічності. Однією з популярних моделей є Акумулятор LiFePO4 12V 100Ah, який ідеально підходить для різних застосувань автономного живлення та мобільності. Ми пропонуємо широкий асортимент розмірів та ємностей акумуляторів для задоволення різноманітних потреб. LiTime пишається якістю та довговічністю своїх акумуляторів, які ретельно тестуються для забезпечення задоволення клієнтів.
Частина 3: Фактори, що впливають на термін служби літій-іонних акумуляторів
Згідно з дослідженням: ДОСЛІДЖЕННЯ ФАКТОРІВ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ДЕГРАДАЦІЮ ЛІТІЙ-ІОННИХ АКУМУЛЯТОРІВ Це фактори, які можуть впливати на термін служби літій-іонних акумуляторів.
3.1 Під час зберігання
1) Температура
Основною причиною втрати ємності акумулятора під час зберігання є температура, причому вищі температури призводять до термічного розкладання електродів та електроліту.
Розкладання електроліту збільшує товщину шару твердого електроліту (SEI) на аноді, тим самим споживаючи іони літію, збільшуючи внутрішній опір елемента (IR) та зменшуючи ємність акумулятора. Цей процес розкладання також утворює гази, які підвищують внутрішній тиск і становлять загрозу безпеці. Як показано в таблиці 3.1, літій-іонні акумулятори, що зберігаються в одному й тому ж стані заряду (SOC) (40%), втрачають різний відсоток своєї ємності протягом року за різних температур.
Ступінь деградації зростає з підвищенням температури. Крім того, екстремальні температури значно прискорюють втрату ємності. Підвищення температури від 0°C до 25°C призводить до збільшення втрати ємності лише на 2%, тоді як підвищення на 20°C від 40°C до 60°C спричиняє втрату ємності на 10%.
Температура вище 30°C вважається стресовою для літій-іонних акумуляторів і може призвести до значного скорочення терміну служби. Щоб продовжити термін служби акумулятора, рекомендується зберігати літій-іонні акумулятори за температури від 5°C до 20°C.
2) Стан заряду (SOC)
У літій-іонних акумуляторах напруга холостого ходу (OCV) зростає зі збільшенням стану заряду (SOC), як показано на рисунку 3.2. Під час зберігання вищий рівень SOC акумулятора призводить до вищого OCV. Однак високий OCV може призвести до зростання поверхні твердого електроліту (SEI) та спровокувати окислення електроліту в літій-іонних акумуляторах, що призводить до втрати ємності та збільшення внутрішнього опору (IR).
На зображенні показано різні швидкості деградації літій-іонних акумуляторів за різних значень стану заряду (SOC) протягом десятирічного періоду зберігання. Залишкова ємність літій-іонних акумуляторів зменшується швидше зі збільшенням значення SOC.
3.2 Під час їзди на велосипеді
1) Температура
Хоча вища температура під час роботи від акумулятора може тимчасово покращити його продуктивність, тривале циклічне розряджання/розряджання за високих температур скорочує термін служби акумулятора. Акумулятор, що працює при температурі 30°C, матиме на 20% коротший термін служби, тоді як при 45°C він прослужить лише вдвічі довше, ніж при 20°C.
Виробники вказують номінальну робочу температуру 27°C для акумуляторів, щоб подовжити термін їхньої роботи. І навпаки, надзвичайно низькі температури збільшують внутрішній опір акумулятора та зменшують його розрядну здатність.Акумулятор, який забезпечує 100% ємності при 27°C, матиме лише 50% ємності при -18°C.
Розрядна ємність літій-полімерних елементів, розряджених за різних температур, коливається, причому ємність акумуляторів нижча за низьких температур (0°C, -10°C, -20°C), ніж за вищих (25°C, 40°C, 60°C). Крім того, заряджання літій-іонних акумуляторів за низьких температур (нижче 15°C) призводить до літієвого покриття через уповільнене включення іонів літію, що прискорює деградацію літій-іонних акумуляторів, збільшуючи внутрішній опір акумулятора та додатково зменшуючи його розрядну ємність.
Щоб максимально збільшити термін служби та продуктивність літій-іонних акумуляторів, рекомендується експлуатувати їх за помірних температур. Оптимальна температура 20°C або трохи нижче для досягнення максимального терміну служби літій-іонних акумуляторів. Однак виробники рекомендують трохи вищу температуру 27°C для літій-іонних акумуляторів, коли потрібен максимальний термін служби.
2) Глибина дренажу
Глибокий розряд має вирішальний вплив на термін служби літій-іонних акумуляторів. Глибокі розряди створюють тиск усередині літій-іонних елементів і пошкоджують негативні електроди, прискорюючи втрату ємності та потенційне пошкодження елементів. Як показано на рисунку, чим вищий показник глибини розряду (DOD) циклу, тим коротший термін служби акумулятора.
Глибина розряду, що перевищує 50%, класифікується як глибокий розряд. Коли заряд літій-іонного акумулятора падає з 4,2 В до 3,0 В, витрачається приблизно 95% його енергії, а безперервний розряд призводить до значного скорочення терміну служби акумулятора. Щоб уникнути втрати ємності, слід уникати повного розряду під час циклу літій-іонного акумулятора. Для продовження терміну служби літій-іонних акумуляторів рекомендується частковий розряд та перезаряд.
Виробники зазвичай використовують формулу DOD 80% для оцінки акумулятора, що означає, що лише 80% подаваної енергії використовується під час роботи, а решта 20% резервуються для продовження терміну служби акумулятора. Зменшення значення DOD може продовжити термін служби літій-іонних акумуляторів, але занадто низьке значення DOD може призвести до недостатнього терміну служби акумулятора та неможливості виконання певних завдань. Рекомендується підтримувати значення DOD приблизно 50% під час використання літій-іонних акумуляторів для досягнення максимального терміну служби акумулятора та оптимального часу роботи.
3) Напруга заряджання:
Літій-іонні акумулятори можуть досягати високої ємності та тривалого часу роботи за високої напруги заряджання. Однак не рекомендується повністю заряджати літій-іонні акумулятори, оскільки це може призвести до літієвого покриття, що призводить до втрати ємності та потенційного пошкодження акумулятора, що може спричинити пожежі або вибухи.
На зображенні вище показано зменшення ємності при високій напрузі зарядки (> 4,2 В/елемент), причому вища напруга призводить до швидшої втрати ємності та скорочення терміну служби. Зарядна напруга 4,2 В є рекомендованим рівнем напруги для оптимальної ємності відповідно до стандартів безпеки для літій-іонних акумуляторів. Зниження зарядної напруги на 70 мВ зменшує загальну ємність приблизно на 10%.
У таблиці нижче також показано, що тривалість циклу є найдовшою при напрузі зарядки 3,90 В (2400-4000) і зменшується вдвічі з кожним збільшенням напруги зарядки на 0,10 В у діапазоні 3,90 В-4,30 В.
Літій-іонні акумулятори слід заряджати при напрузі нижче 4,10 В, щоб уникнути значної деградації акумулятора. Хоча нижча напруга заряджання подовжує термін служби акумулятора, вона забезпечує користувачеві коротший час роботи. Крім того, слід уникати розряджання нижче 2,5 В на елемент, а оптимальна напруга заряджання для максимального терміну служби становить 3,92 В. З цієї причини LiTime не рекомендує заряджати LiFePO4 акумулятори стандартним свинцево-кислотним зарядним пристроєм, оскільки напруга недостатньо висока для заряджання. Нижче наведено рекомендований формат напруги заряджання для різних систем акумуляторів глибокого циклу розряду/розряду.
Електронні пристрої, такі як ноутбуки та мобільні телефони, мають високий поріг напруги для досягнення оптимального терміну служби батареї. Однак для великих систем накопичення енергії, що використовуються в супутниках або електромобілях, поріг напруги встановлюється нижчий, щоб подовжити термін служби батареї. Незалежно від застосування, перезаряджання літій-іонних батарей може значно скоротити термін їхньої служби та спричинити пожежі або вибухи, тому рекомендується бути обережним.
4) Струм зарядки/C-коефіцієнт:
Літій-іонні акумулятори зазнають кількох негативних наслідків при високих значеннях C, таких як підвищений внутрішній опір, втрата доступної енергії, проблеми безпеки та незворотна втрата ємності.
Одним з головних наслідків високих значень заряду C є літієве покриття. Коли літій-іонний акумулятор заряджається високим струмом, іони літію швидко рухаються, що призводить до накопичення іонів літію на поверхні анода та утворення металевого літію. Цей процес прискорюється, коли акумулятори швидко заряджаються за низьких температур і високих станів заряду (SOC).
Цей літієвий шар може перетворитися на дендритну форму під впливом сили тяжіння, що призводить до посиленого саморозряду акумулятора. У крайніх випадках це може спричинити коротке замикання та потенційну пожежу. Крім того, високі струми зарядки та розрядки також призводять до більших втрат енергії, оскільки внутрішній опір акумулятора перетворює енергію на тепло. Якщо коефіцієнт заряду (C-rate) перевищує рекомендоване значення акумулятора, підвищена внутрішня температура може спричинити напруження, пошкодити акумулятор та прискорити втрату ємності.
5) Частота циклу
Часте циклічне розряджання/заряджання літій-іонних акумуляторів, особливо якщо їх використовувати чотири або більше разів на день, може призвести до механічного навантаження та збільшення росту твердого електролітного прошарку (SEI).
Під час циклічного розряджання/заряджання літій-іонні акумулятори втрачають як позитивні, так і негативні літієві реакційні центри на своїх електродах, тим самим зменшуючи свою ємність. Накопичення шару SEI під час циклічного розряджання/заряджання збільшує внутрішній опір акумулятора та зменшує його електронну провідність і зарядну здатність.
Потовщення шару SEI, зменшення кількості літієвих центрів та інші хімічні зміни в літій-іонних акумуляторах призводять до втрати ємності та, зрештою, до виходу акумулятора з ладу. Хоча опублікованих досліджень, що безпосередньо стосуються цієї теми, немає, вважається, що висока частота циклів розрядки-розрядки прискорює деградацію акумулятора через високі температури, що виникають внаслідок частого використання.
Якщо літій-іонні акумулятори постійно циклічно експлуатуються без достатнього часу для охолодження, це може призвести до хімічного стресу, що спричиняє розкладання електролітів та електродів.
Частина 4: Методи продовження терміну служби літій-іонних акумуляторів
- Зберігайте акумулятор за помірної температури: високі температури можуть скоротити термін служби акумулятора. Тому рекомендується зберігати або використовувати літій-іонні акумулятори в діапазоні помірних температур від 5°C до 20°C.
- Частковий розряд та перезаряд: Частковий розряд та перезаряд літій-іонних акумуляторів може подовжити термін їхньої служби. Уникнення глибоких розрядів понад 50% глибини розряду (DOD) також може сприяти подовженню терміну служби акумулятора.
- Підтримуйте помірний рівень заряду (SOC): Екстремальні рівні SOC можуть призвести до втрати ємності та скорочення терміну служби акумулятора. Підтримка літій-іонних акумуляторів на помірному рівні SOC мінімізує знос акумулятора та подовжує термін його служби.
- Уникайте впливу тепла: високі температури під час використання або зберігання акумуляторів можуть збільшити товщину SEI та спровокувати окислення електроліту, що призводить до втрати ємності та скорочення терміну служби акумулятора.
- Правильно зберігайте акумулятори, коли вони не використовуються: Зберігайте літій-іонні акумулятори приблизно з 50% заряду, коли вони не використовуються, та захищайте їх від екстремальних температур і вологості.
- Уникайте швидкого заряджання та розряджання: швидке заряджання або розряджання може призвести до надмірного нагрівання, що з часом може пошкодити внутрішні компоненти акумулятора та скоротити термін його служби.
- Використовуйте зарядні пристрої виробника оригінального обладнання (OEM): Використання зарядних пристроїв виробника оригінального обладнання, спеціально розроблених для літій-іонних акумуляторів, гарантує їх заряджання за правильної напруги та струму, щоб запобігти пошкодженню та подовжити термін їх служби. LiTime пропонує відповідні зарядні пристрої LiFePO4 для заряджання літієвих акумуляторів LiFePO4.
Висновок
У цій статті детально описано концепції, пов’язані з літієвими батареями, фактори, що впливають на літієві батареї, та способи продовження терміну їхньої служби. Сподіваємося, що вона допоможе вам краще зрозуміти літієві батареї. Якщо ви хочете знайти правильну літієву батарею, ви можете звернутися до офіційного [вебсайту/документу/тощо]. Вебсайт LiTime Відвідайте нас, щоб дізнатися більше про відповідні продукти та іншу інформацію.
