EN
БЪРЗИ ВРЪЗКИ
Презареждащите се батерии изпитват минимални износвания след всеки цикъл на зареждане, тъй като йоните се движат вътре в тях и електродите се разширяват по време на зареждане. Когато литиево-йонните клетки работят при екстремни нива — почти празни или напълно пълни — те оказват допълнително напрежение върху анода на батерията. Според проучване от Националната лаборатория за възобновяема енергия (National Renewable Energy Lab) от 2020 г., такъв режим на употреба може да намали капацитета на батерията до 24% годишно в сравнение с балансираното използване. Проблемът се влошава, когато устройствата постоянно се зареждат над 90%, тъй като това води до явление, наречено литиево покритие (lithium plating), което е една от основните причини батериите да губят ефективността си с течение на времето.
Поддържането на литиево-йонните батерии със заряд между приблизително 30% и 70% помага да се предотвратят досадните кристални образувания върху електродите, като ги намалява с около 40% в сравнение с пълното изтощаване на батерията от 0 до 100%. Департаментът по енергетика е проучвал този въпрос още през 2019 г. и е установил нещо интересно: тестовете им показват, че когато тези батерии се разреждат наполовина (около 50%), те издържат от 1200 до 1500 цикъла на зареждане, преди да достигнат само 80% от първоначалния си капацитет. Това е значително повишаване в сравнение с едва 500 цикъла, които се наблюдават при многократни пълни цикли на разреждане. Производителите на автомобили също са обърнали внимание на това. Много електрически превозни средства сега ограничават бързото зареждане до 80% като част от стратегията си за поддържане на здравето на скъпите батерийни пакети с течение на времето. Tesla, Nissan и други използват подобни тактики в своите EV конструкции.
| Глубина на изпускането | Среден цикъл на живот | Запазване на капацитета след 3 години |
|---|---|---|
| 100% (Пълен) | 500 цикла | 65%-70% |
| 50% | 1200 цикъла | 85%-88% |
Когато говорим за батериен цикъл, всъщност имаме предвид изразходването на 100% от общия заряд на батерията, независимо дали това се случва наведнъж, когато устройството напълно се изтощи, или чрез няколко по-малки презареждания в рамките на деня. Начинът, по който съвременните батерии отчитат този износ, помага да се обясни защо хората могат да имат много различен опит с живота на батерията на своето устройство, дори ако притежават точно един и същ модел. Хората, които обикновено зареждат устройствата си на части, обикновено откриват, че батерията все още запазва около 92% от първоначалната си мощност след приблизително 500 пълни цикъла на зареждане. В сравнение с тях, онези, които редовно изтощават батерията си до нула, често достигат само до 76% капацитет при подобна употреба, според някои тестове, проведени от Consumer Reports през 2022 г.
Пазенето на литиево-йонните батерии със степен на заряд между 20% и 80% значително намалява електрохимичното напрежение, което те изпитват с времето. Според някои нови данни от Battery University през 2023 г., когато ограничим напрежението при зареждане до около 3,92 волта на клетка, което съответства приблизително на 65% SOC, тези батерии служат много по-дълго преди да се наложи подмяна им. Вместо обичайните 300 до 500 цикъла при пълен заряд от 4,2 волта на клетка, този подход осигурява до около 2400 цикъла. Какво прави този метод толкова ефективен? Помага да се предотвратят два големи проблема, които съкращават живота на батериите: литиево покритие (lithium plating) от анодната страна и окисляване в катодния материал. Точно тези процеси основно причиняват деградацията на повечето батерии с течение на времето.
| Ниво на заряд (V/клетка) | Диапазон на цикличния живот | Запазване на капацитета |
|---|---|---|
| 4,20 (100% SOC) | 300–500 | 100% |
| 3,92 (65% SOC) | 1,200–2,000 | 65% |
Хората, които се грижат повече за живота на батерията, отколкото да използват максимално времето на работа на устройствата си, биха могли да помислят да поддържат нивото на заряд между 25% и 75%. Този подход намалява ежедневните колебания на напрежението с около 35%, което помага да се забави растежът на SEI слоя върху клетките на батерията. SEI слоят по същество е това, което причинява деградацията на батериите с времето. Разбира се, този метод означава отказ от около 15 до 20% от достъпния капацитет във всеки един момент, но за устройства, които не се използват цял ден, като системи за резервно захранване или сезонни уреди, ползите са значителни. Някои тестове показват, че тези батерии могат да доставят три пъти повече обща енергия през целия си животен цикъл, когато работят в този по-тясно дефиниран диапазон.
Когато литиевите батерии остават със заряд над 80% в продължение на дълги периоди, те имат тенденция да се разграждат много по-бързо, защото вътрешното им съпротивление нараства заедно с натрупването на топлина в клетките. Научните изследвания показват, че зареждането до 100% при 4,2 волта на клетка всъщност наполовина съкращава живота на батерията в сравнение с поддържането ѝ около 4,0 волта. При реални устройства като смартфони, потребител, който зарежда телефона си всеки ден до 100%, може да установи, че след едва дванадесет месеца батерията запазва само около 73% от първоначалния си капацитет. Но ако друг потребител има навика да спира при 80%, батерията на неговия телефон вероятно ще продължи да работи с над 90% ефективност дори и след цяла година редовна употреба.
Частичните разряди намаляват натоварването върху батериините материали, като намалят механичното напрежение по време на циклите на зареждане и разреждане. Повърхностната употреба (например 20–40% разряд преди презареждане) ограничава разширяването и свиването на електродите, докато дълбоките цикли принуждават по-екстремни структурни промени, които допринасят за пукане на катодите и нестабилност на интерфейсите на електролита.
Проучвания показват, че батериите, подложени на 100% дълбочина на разряд (DoD), губят капацитет три пъти по-бързо в сравнение с тези, които работят при 50% DoD. Най-добрите практики в индустрията отразяват това, като подчертават значението на частичните разряди за предотвратяване на деградация на кристалната решетка в активните материали.
Връзката между дълбочината на разряд и живота на цикъла следва логаритмична тенденция:
| Ниво на разряд (DOD) | Среден живот на цикъла (Li-ion) |
|---|---|
| 100% | 300–500 цикъла |
| 80% | 600–1 000 цикъла |
| 50% | 1 200–2 000 цикъла |
| 20% | 3000+ цикъла |
Задържането на изтощването на батериите около 50% дълбочина на изтощване всъщност предпазва кристалната структура в тези катоди от никел-мangan-кобалт и осигурява стабилност на йонно ниво. Проучване от миналата година показа също интересни резултати. Когато батериите се използват при около половината от капацитета им, те запазват приблизително 92% от първоначалната си мощност дори след 1000 цикъла на зареждане. Но когато хората ги изтощават напълно всеки път, същите батерии губят почти 40% от капацитета си до 400-ия цикъл. Това прави голяма разлика. При приложения, където надеждността е от решаващо значение, като животоспасяващи медицински уреди или съхранение на слънчева енергия, този подход с плитки цикли наистина се отплаща на дълга сметка.
Литиево-йонните батерии обикновено се износват най-бързо, когато се поддържат при високи нива на напрежение, особено около 4,2 волта на клетка. Според някои нови проучвания, поддържането на заряда на батерията между 20% и 80% намалява химическото напрежение вътре в клетките с около две трети в сравнение с пълно разреждане и презареждане (както е посочено в проучването на индустриални батерии в Джефърсън, щата Уисконсин, от 2023 г.). Дори кратки периоди на претоварване могат да повишат вътрешната температура до опасно високи стойности, което увеличава риска от сериозен проблем, наречен топлинен пробив. Въпреки че много от по-новите зарядни устройства преминават автоматично в режим на бавно зареждане след достигане на около 80%, оставянето на батериите свързани при пълен заряд за дълго време все още води до разграждане на електролитния разтвор вътре. Затова умните потребители често изключват устройствата си преди индикаторът да покаже напълно заредено.
Топлината е основен фактор за деградация на батериите. За всеки 8°C (15°F) над 35°C (95°F) скоростта на стареене се удвоява. Проучване на Националната лаборатория в Айдахо (2022 г.) показа, че литиево-йонните батерии, циклирани при 40°C, губят 50% от капацитета си при половината цикъла в сравнение с тези, работещи при 20°C. Прости предпазни мерки помагат:
Некачествените зарядни устройства често нямат правилна регулация на напрежението, което излага батериите на вредни колебания. Индустриален доклад от 2024 г. разкри, че 78% от неконтифицираните USB-C зарядни устройства надвишават безопасните граници на напрежението с повече от 10%. За да защитите здравето на батерията, избирайте зарядни устройства с:
Това заблуждение произлиза от по-стари никел-кадмиеви батерии, които страдаха от „ефекта на памет“. Съвременните литиево-йонни батерии работят най-добре при чести частични заряди. Пълното изтощаване увеличава електрохимичното напрежение и ускорява загубата на капацитет. Например, циклирането между 40% и 80% заряд намалява деградацията с 30% в сравнение с пълни цикли от 0% до 100%.
Съвременните системи за управление на батерии предотвратяват прекомерното зареждане, но задържането на батерията при 100% през дълги периоди, особено през нощта, все още оказва допълнително напрежение върху химичните компоненти вътре. Интересни резултати показаха и термографски изследвания от 2023 година. Батериите, които остават свързани през цялата нощ, достигат вътрешна температура с около 8 градуса по Целзий по-висока в сравнение с тези, които се зареждат на кратки интервали през деня. Повечето хора установяват, че е най-добре да извадят зарядното, когато зарядът на устройството достигне около 80 до 90 процента. Този подход намалява времето, през което клетките на батерията са под високо напрежение, което помага за запазване на тяхния живот.
Частичните разреждания значително удължават живота на батерията — разреждане до 50% осигурява приблизително два пъти повече цикли в сравнение с пълни разреждания. Приемете тези навици:
Бързото зареждане генерира до 40% повече топлина в сравнение със стандартното зареждане, което увеличава топлинното напрежение върху анодните материали. Ускорени тестове за стареене показват, че това може да доведе до деградация на компонентите до 2,3 пъти по-бързо. Използвайте бързо зареждане само когато е необходимо и премахвайте защитните калъфи по време на сесии с висока скорост, за да се подобри отвличането на топлината и да се запази цялостността на батерията.