如何延長(zhǎng)鋰離子電池壽命?鋰離子電池老化原因
一起來(lái)探討鋰離子電池老化的原因以及采用哪些措施來(lái)延長(zhǎng)鋰離子電池壽命。
鋰離子電池尚未完全成熟,并且還在改善中。隨著容量的逐漸增加,壽命和安全性有了顯著的進(jìn)步。如今,鋰離子電池已滿足大多數(shù)消費(fèi)類設(shè)備的期望,但新能源汽車的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步開發(fā),然后這種電源才能成為公認(rèn)的規(guī)范。
作為電池護(hù)理人員,您需要知道如何延長(zhǎng)電池壽命。每個(gè)電池系統(tǒng)在充電速度,放電深度,負(fù)載和承受不利溫度方面都有獨(dú)特的需求。檢查是什么原因?qū)е氯萘繐p失,內(nèi)部電阻上升如何影響性能,高自放電率有什么作用,電池可以放電到多低?您可能還對(duì)電池測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)感興趣。
鋰離子電池老化的原因
鋰離子電池負(fù)責(zé)正負(fù)極之間的離子運(yùn)動(dòng)。理論上,這種機(jī)制應(yīng)該永遠(yuǎn)有效,但是隨著時(shí)間的流逝,循環(huán),高溫和老化會(huì)降低性能。制造商采取保守的方法,并指定大多數(shù)消費(fèi)產(chǎn)品中鋰離子電池的壽命為300至500次充/放電周期。
在計(jì)數(shù)周期上評(píng)估電池壽命不是決定性的,因?yàn)榉烹娚疃瓤赡軙?huì)變化,并且沒有明確定義周期的組成標(biāo)準(zhǔn)。代替周期計(jì)數(shù),一些設(shè)備制造商建議在日期戳上更換電池,但是這種方法并未考慮使用方法。由于過度使用或不利的溫度條件,電池可能會(huì)在指定的時(shí)間內(nèi)失效。但是,大多數(shù)包裝的使用壽命比郵票所示的要長(zhǎng)得多。
電池的性能以容量進(jìn)行衡量。內(nèi)部電阻和自放電也起著作用,但是在預(yù)測(cè)現(xiàn)代鋰離子電池的使用壽命結(jié)束時(shí),這些作用并不重要。
圖1說明了在Cadex實(shí)驗(yàn)室循環(huán)使用的11個(gè)鋰聚合物電池的容量下降。首先以1500mA(1C)的電流將電池充電至1500mAh,然后將其充電至4.20V/cell,然后作為完全充電飽和的一部分使其飽和至0.05C(75mA)。然后將電池以1500mA放電至3.0V/cell,并重復(fù)該循環(huán)。鋰離子電池的預(yù)期容量損失在交付的250個(gè)循環(huán)中是均勻的,并且電池按預(yù)期運(yùn)行。
圖1:容量下降作為循環(huán)的一部分。在Cadex C7400電池分析儀上測(cè)試了11個(gè)新的鋰離子電池。所有包裝開始時(shí)的容量為88–94%,經(jīng)過250個(gè)完整的放電循環(huán)后下降至73–84%。1500mAh的小袋包裝用于手機(jī)。
由Cadex提供
盡管電池在使用的第一年內(nèi)應(yīng)提供100%的容量,但通常會(huì)發(fā)現(xiàn)電池容量低于規(guī)定的容量,并且保質(zhì)期可能會(huì)造成這種損失。此外,制造商往往會(huì)夸大其電池,因?yàn)樗麄冎篮苌儆杏脩魰?huì)進(jìn)行抽查并抱怨電池電量不足。不必像多單元電池組中那樣匹配移動(dòng)電話和平板電腦中的單電池,這為許多廣泛的性能接受打開了閘門。容量較低的電池可能會(huì)在用戶不知情的情況下穿過裂縫。
與機(jī)械設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)很快磨損一樣,放電深度(DoD)決定電池的循環(huán)次數(shù)。放電次數(shù)越少(DoD越?。?,電池壽命越長(zhǎng)。盡可能避免完全放電,并在兩次使用之間更頻繁地給電池充電。鋰離子部分放電是可以的。沒有內(nèi)存,電池不需要定期的完全放電循環(huán)以延長(zhǎng)使用壽命。例外情況可能是對(duì)智能電池或智能設(shè)備上的電量計(jì)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。
下表列出了鈷基鋰離子與應(yīng)力相關(guān)的容量損失。磷酸鐵鋰和鈦酸鋰的電壓較低,不適用于給定的參考電壓。
注意:表2、3和4指出了普通鈷基鋰離子電池在放電深度,溫度和充電水平上的總體老化趨勢(shì),表6進(jìn)一步考察了在給定和放電帶寬內(nèi)工作時(shí)的容量損失。下表未解決超快速充電和高負(fù)載放電會(huì)縮短電池壽命的問題。沒有所有電池的行為相同。
表2估計(jì)了在電池容量降至70%之前,鋰離子在各種DoD級(jí)別下可以提供的放電/充電循環(huán)次數(shù)。DoD構(gòu)成完全充電,然后放電到表中指示的荷電狀態(tài)(SoC)級(jí)別。
表2:循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系。部分放電可減輕應(yīng)力并延長(zhǎng)電池壽命,部分充電也可以。高溫和大電流也會(huì)影響循環(huán)壽命。
注意: 100%DoD是一個(gè)完整的周期;10%非常簡(jiǎn)短。以中間充電狀態(tài)騎車將擁有最佳的壽命。
鋰離子在暴露于熱時(shí)會(huì)承受壓力,因此將電池保持在高充電電壓下也是如此。駐留在30°C(86°F)以上的電池被認(rèn)為是高溫,并且對(duì)于大多數(shù)鋰離子電池而言,高于4.10V/電池的電壓被視為高壓。將電池置于高溫下并長(zhǎng)時(shí)間處于充滿電狀態(tài)會(huì)比循環(huán)更具壓力。表3展示了容量損耗隨溫度和SoC的變化。
表3:在各種溫度下儲(chǔ)存鋰離子一年時(shí)的估計(jì)可恢復(fù)容量。溫度升高會(huì)導(dǎo)致永久容量損失。并非所有的鋰離子系統(tǒng)都表現(xiàn)相同。
大多數(shù)鋰離子電池充電至4.20V /電池,峰值充電電壓每降低0.10V /電池,則循環(huán)壽命將延長(zhǎng)一倍。例如,充電至4.20V /節(jié)的鋰離子電池通??商峁?00–500個(gè)循環(huán)。如果僅以4.10V / cell充電,則壽命可以延長(zhǎng)到600–1000個(gè)周期。4.0V /單元應(yīng)提供1200–2000個(gè)周期,而3.90V /單元應(yīng)提供2400–4000個(gè)周期。
在負(fù)極,較低的峰值充電電壓會(huì)降低電池的存儲(chǔ)容量。作為簡(jiǎn)單的指導(dǎo)原則,充電電壓每降低70mV,總?cè)萘烤蜁?huì)降低10%。在隨后的充電中施加峰值充電電壓將恢復(fù)全部容量。
就壽命而言,最佳充電電壓為3.92V/電池。電池專家認(rèn)為,該閾值消除了所有與電壓有關(guān)的應(yīng)力;降低價(jià)格可能不會(huì)進(jìn)一步獲得好處,但會(huì)引發(fā)其他癥狀。表4總結(jié)了容量與電荷水平的關(guān)系。
表4:放電周期和容量與充電電壓極限的關(guān)系。每下降0.10V低于4.20V/單元,循環(huán)次數(shù)將增加一倍,但容量將降低。將電壓提高到4.20V / cell以上會(huì)縮短壽命。讀數(shù)反映出常規(guī)鋰離子電池充電至4.20V /電池。
準(zhǔn)則:充電電壓每下降70mV,可用容量就會(huì)降低約10%。
注意:就高比能量而言,部分充電會(huì)抵消鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)。
充滿電后,具有不同電壓水平的電池也適用類似的壽命周期。
以充滿電后的100%容量的新電池為基礎(chǔ)。
實(shí)驗(yàn):瑞典查爾默斯科技大學(xué)報(bào)告說,使用降低的50%SOC充電量可使汽車鋰離子電池的預(yù)期壽命提高44–130%。
大多數(shù)用于手機(jī),筆記本電腦,平板電腦和數(shù)碼相機(jī)的充電器可將鋰離子電池充電至4.20V/電池。這允許最大的容量,因?yàn)槭褂谜呦M木褪亲罴堰\(yùn)行時(shí)間。另一方面,工業(yè)界更關(guān)注壽命,并可能選擇較低的電壓閾值。衛(wèi)星和電動(dòng)汽車就是這樣的例子。
出于安全原因,許多鋰離子電池不能超過4.20V。雖然較高的電壓會(huì)提高容量,但超過此電壓會(huì)縮短使用壽命并損害安全性。圖5展示了周期計(jì)數(shù)與充電電壓的關(guān)系。在4.35V電壓下,普通鋰離子的循環(huán)次數(shù)減少了一半。
圖5:充電電壓升高對(duì)循環(huán)壽命的影響。 較高的充電電壓可提高容量,但會(huì)降低循環(huán)壽命并損害安全性。
資料來(lái)源:Choi等。
除了為給定的應(yīng)用選擇最適合的電壓閾值外,常規(guī)鋰離子也不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間保持在4.20V/電池的高壓上限。鋰離子充電器會(huì)關(guān)閉充電電流,并且電池電壓會(huì)恢復(fù)到更自然的水平。這就像劇烈運(yùn)動(dòng)后放松肌肉。
圖6說明了動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試(DST),反映了在各種充電和放電帶寬下循環(huán)鋰離子電池時(shí)的容量損失。當(dāng)將充滿電的鋰離子放電到25%的SoC(黑色)時(shí),容量損失最大。如果完全放電,損失會(huì)更高。在85%到25%(綠色)之間循環(huán)可提供比充電到100%和放電到50%(深藍(lán)色)更長(zhǎng)的使用壽命。通過將鋰離子充電至75%,然后放電至65%,可以實(shí)現(xiàn)最小的容量損失。但是,這不能充分利用電池。據(jù)說高壓和暴露于高溫下比正常條件下循環(huán)更快地降解電池。
圖6:容量損失隨充放電帶寬的變化。鋰離子充放電只能部分延長(zhǎng)電池壽命,但會(huì)降低利用率。
情況1:75–65%的SoC可以提供最長(zhǎng)的循環(huán)壽命,但僅提供90000能量單位(EU)。消耗10%的電池電量。
情況2:75%到25%的SoC具有3000個(gè)周期(達(dá)到90%的容量),并提供150000 EU。消耗50%的電池電量。(EV電池,新的。)
情況3:85–25%的SoC具有2000個(gè)循環(huán)。提供120000歐盟。消耗60%的電池電量。
情況4:100–25%SoC;電池使用率達(dá)到75%的情況下,使用壽命長(zhǎng)。壽命短。(手機(jī),無(wú)人機(jī)等)
表2和圖6之間的周期計(jì)數(shù)存在差異。除了假設(shè)電池質(zhì)量和測(cè)試方法存在差異外,沒有明確的解釋可用。低成本消費(fèi)級(jí)和耐用工業(yè)級(jí)之間的差異也可能起作用。與20ºC相比,高溫下的容量保持率下降速度更快。
只有一個(gè)完整的周期才能提供電池的指定能量。使用現(xiàn)代的能量電池,功率約為250Wh/kg,但是循環(huán)壽命會(huì)受到影響。所有這些都是線性的,延長(zhǎng)壽命的中間范圍(85-25%)將能量降低到60%,這相當(dāng)于將比能量密度從250Wh/kg降低到150Wh/kg。手機(jī)是利用電池全部能量的消費(fèi)品。諸如EV之類的工業(yè)設(shè)備通常將充電限制為85%,將放電限制為25%或60%的能源可用性,以延長(zhǎng)電池壽命。
增加循環(huán)深度也會(huì)增加鋰離子電池的內(nèi)部電阻。圖7顯示了使用直流電阻法測(cè)得的在61%的循環(huán)深度處的急劇上升。電阻的增加是永久的。
圖7:通過增加鋰離子的循環(huán)深度,內(nèi)部電阻急劇上升。
注意:DC方法提供的內(nèi)部電阻讀數(shù)與AC方法(綠色框)不同。為了獲得最佳結(jié)果,請(qǐng)使用DC方法計(jì)算負(fù)載。
資料來(lái)源:慕尼黑工業(yè)大學(xué)(TUM)
圖8通過使用外推程序推斷圖6的數(shù)據(jù)以擴(kuò)展鋰離子的預(yù)測(cè)循環(huán)壽命,該程序假定電池容量隨著漸進(jìn)式循環(huán)而線性衰減。如果這是真的,那么在14000次循環(huán)后,在75%–25%SoC(藍(lán)色)內(nèi)循環(huán)的鋰離子電池將衰減至74%的容量。如果在相同的放電深度下將電池充電至85%(綠色),則在14000次循環(huán)時(shí)容量將下降至64%,而在具有相同DoD的情況下充電100%(黑色),容量將下降至48%。由于未知原因,現(xiàn)實(shí)生活中的期望值往往低于模擬模型。
圖8:通過外推法預(yù)測(cè)電池壽命。
鋰離子電池可充電至三種不同的SoC級(jí)別,并模擬了循環(huán)壽命。限制充電范圍可延長(zhǎng)電池壽命,但會(huì)降低傳遞的能量。這反映出重量增加和較高的初始成本。
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電池制造商通常會(huì)指定80 DoD的電池的循環(huán)壽命。這是實(shí)用的,因?yàn)樵谡J褂孟拢姵卦诔潆娭皯?yīng)保留一些儲(chǔ)備。DST(動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試)的周期計(jì)數(shù)因電池類型,充電時(shí)間,加載規(guī)程和工作溫度而異。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試通常會(huì)獲得在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法獲得的數(shù)字。
鋰離子電池的壽命取決于環(huán)境條件,而不是單獨(dú)循環(huán)。最壞的情況是將充滿電的電池保持在高溫下。電池組不會(huì)突然消失,但是隨著容量的減少,運(yùn)行時(shí)間會(huì)逐漸縮短。
較低的充電電壓可延長(zhǎng)鋰離子電池壽命,電動(dòng)汽車和衛(wèi)星都可以利用這一點(diǎn)。也可以為消費(fèi)類設(shè)備制定類似的規(guī)定,但是很少提供這些規(guī)定。有計(jì)劃的過時(shí)將解決此問題。
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