EN
Greitieji nuorodos
Įkraunami baterijos kiekvieno įkrovimo ciklo metu patiria nedidelį nusidėvėjimą, nes jų viduje juda jonai ir elektrodai išsiplečia įkraunant. Kai ličio jonų elementai veikia ekstremaliomis sąlygomis – beveik tušti arba visiškai pilni – tai sukelia papildomą apkrovą baterijos anodui. Pagal 2020 m. Tautinės atsinaujinančios energijos laboratorijos tyrimus, tokia naudojimo praktika gali sumažinti baterijos talpą net 24 % per metus, palyginti su subalansuotu naudojimu. Problema darosi rimtesnė, kai įrenginiai reguliariai įkraunami virš 90 %, nes tai sukelia reiškinį, vadinamą litavimu (lithium plating), kuris yra viena pagrindinių priežasčių, kodėl baterijos laikui bėgant praranda savo veiksmingumą.
Laikant litio jonų baterijas apie 30 % ir 70 % įkrovos ribose, galima išvengti erzinančių kristalinių formavimosi ant elektrodų, sumažinant juos maždaug 40 %, palyginti su pilnu baterijos išsikrovimu nuo 0 iki 100 %. JAV energetikos departamentas tai ištirė dar 2019 m. ir nustatė kažką įdomaus: jų tyrimai parodė, kad kai šios baterijos išsikrauna tik pusiau (apie 50 %), jos tarnauja nuo 1 200 iki 1 500 įkrovimo ciklų, kol pasiekia tik 80 % pradinės talpos. Tai yra gerokai daugiau nei tik 500 ciklų, stebimi, kai baterijos kartotinai visiškai išsikrauna. Šį reiškinį pastebėjo ir automobilių gamintojai. Dabartiniai daugelio elektrinių automobilių greito įkrovimo limitas nustatomas iki 80 % kaip strategija ilguoju laikotarpiu išlaikyti brangių baterijų paketų sveikatą. Tesla, Nissan ir kiti naudoja panašias taktikas savo EV konstrukcijose.
| Iškrovimo gylis | Vidutinė ciklo trukmė | Talpos išlaikymas po 3 metų |
|---|---|---|
| 100 % (pilnas) | 500 ciklų | 65%-70% |
| 50% | 1 200 ciklų | 85%-88% |
Kai kalbame apie baterijos ciklą, iš esmės turime omenyje 100 % visos baterijos įkrovos panaudojimą – arba vienu metu, kai įrenginys visiškai išsikrauna, arba per kelias mažesnes įkrovimus per dieną. Šiuolaikinių baterijų būdas stebėti šį nusidėvėjimą padeda paaiškinti, kodėl žmonės gali labai skirtingai patirti savo įrenginių baterijos gyvavimo trukmę, net jei naudoja tiksliai tuos pačius modelius. Tie, kurie dažniausiai įkrauna įrenginius dalimis, paprastai pastebi, kad jų baterija po apie 500 pilnų įkrovimo ciklų vis dar išlaiko apie 92 % pradinės galios. Palyginkite su tais, kurie reguliariai leidžia baterijai išsikrauti iki nulio – jų įrenginiai dėl panašaus naudojimo dažnai sumažėja iki tik 76 % talpos, kas pagal 2022 m. „Consumer Reports“ atliktus tyrimus.
Laikant litio jonų baterijas nuo 20 % iki 80 % įkrovos lygio tikrai sumažinamas elektrocheminis poveikis, kurį jos patiria laikui bėgant. Remiantis 2023 m. naujausiais Battery University tyrimais, kai įkrovimo įtampa yra apribota iki apie 3,92 voltų vienam elementui, kas atitinka maždaug 65 % įkrovos būseną (SOC), šios baterijos tarnauja žymiai ilgiau iki pakeitimo. Vietoj įprastų 300–500 ciklų, pasiekiamų pilnai įkraunant iki 4,2 voltų vienam elementui, šis metodas leidžia pasiekti net iki apie 2 400 ciklų. Kodėl tai veikia taip gerai? Tai padeda išvengti dviejų pagrindinių problemų, trumpinančių baterijos gyvavimo trukmę: litio nusėdimo ant anodo pusės ir oksidacijos, vykstančios katodo medžiagoje. Būtent šie procesai daugiausia lemia baterijų blogėjimą senstant.
| Įkrovos lygis (V/elementą) | Ciklo trukmės diapazonas | Talpos išlaikymas |
|---|---|---|
| 4,20 (100 % SOC) | 300–500 | 100% |
| 3,92 (65 % SOC) | 1,200–2,000 | 65% |
Tiems, kuriuos labiau rūpi baterijos tarnavimo laikas nei galimybė išnaudoti kiekvieną įrenginių veikimo sekundę, verta apsvarstyti baterijos įkrovimo lygio palaikymą tarp 25 % ir 75 %. Toks požiūris sumažina kasdienius įtampos svyravimus maždaug 35 %, todėl lėtėja SEI sluoksnio augimas ant baterijų elementų. Būtent šis SEI sluoksnis sukelia baterijų senėjimą laikui bėgant. Žinoma, šis metodas reiškia, kad bet kuriuo metu atsisakoma apie 15–20 % turimos talpos, tačiau priemonėms, kurios nenaudojamos visą dieną, pvz., rezervinės energijos sistemoms ar sezoninėms įrangoms, nauda yra didžiulė. Kai kurie tyrimai rodo, kad tokiomis sąlygomis eksplotuojamos baterijos per visą savo gyvavimo ciklą gali atiduoti tris kartus daugiau bendros energijos.
Kai litio baterijos ilgą laiką išlaikomos aukštesnėje nei 80 % įkrovos būsenoje, jos linkusios greičiau senėti, nes padidėja jų vidinė varža kartu su šilumos kaupimusi elementų viduje. Moksliniai tyrimai rodo, kad įkrovimas iki maksimalių 100 %, kai įtampa siekia 4,2 V vienam elementui, faktiškai sumažina baterijos tarnavimo laiką perpus, palyginti su tuo, kai ji laikoma apie 4,0 V. Atsižvelgiant į realius įrenginius, tokius kaip išmanieji telefonai, kasdien telefoną įkraunantis asmuo iki 100 % gali pastebėti, kad praėjus dvylikai mėnesių baterija išlaiko tik apie 73 % pradinės talpos. Tačiau jei kitas asmuo įprato sustoti ties 80 %, jo telefono baterija, labai tikėtina, išliks veiksminga daugiau nei 90 % lygyje net po viso metų reguliaraus naudojimo.
Daliniai iškrovimai sumažina apkrovą baterijos medžiagoms, mažindami mechaninį įtempimą per įkrovimo-iškrovimo ciklus. Švelnus naudojimas (pvz., 20–40 % iškrovimas prieš perkrovimą) apriboja elektrodų plitimą ir susitraukimą, tuo tarpu gilūs ciklai sukelia ryškesnius struktūrinius pokyčius, kurie skatina katodų plyšimą ir elektrolito sąsajų nestabilumą.
Tyrimai rodo, kad baterijos, kurioms taikomas 100 % iškrovimo gylis (DoD), praranda talpą trys kartus greičiau nei tos, kurios veikia 50 % DoD režimu. Pramonės geriausios praktikos atsižvelgia į tai, dėmesį kreipdamos į dalinius iškrovimus, siekiant išvengti gardelės degradacijos aktyviose medžiagose.
Iškrovimo gilio ir ciklų skaičiaus santykis seka logaritminę tendenciją:
| Iškrovimo gylis (DOD) | Vidutinis ciklų skaičius (Li-jonų) |
|---|---|
| 100% | 300–500 ciklų |
| 80% | 600–1 000 ciklų |
| 50% | 1 200–2 000 ciklų |
| 20% | daugiau nei 3000 ciklų |
Laikant baterijos išsikrovimą apie 50 % išsikrovimo gylį iš tikrųjų apsaugoma šių nikelio-mangano-kobalto katodų kristalinė struktūra ir palaikoma stabilumas joniniu lygiu. Praeitos metų tyrimai taip pat parodė įdomių rezultatų. Kai baterijos buvo naudojamos apie pusę jų talpos, jos išlaikė maždaug 92 % pradinės galios net po 1000 įkrovimo ciklų. Tačiau kai žmonės leisdavo jiems visiškai išsikrauti kiekvieną kartą, tos pačios baterijos iki 400-ojo ciklo prarado beveik 40 % savo talpos. Tai daro didelį skirtumą. Dėl dalykų, kuriuose svarbiausia patikimumas, pvz., gyvybę gelbstinčios medicinos įrangos ar saulės energijos kaupimo, tokia paviršutiniška ciklų naudojimo metodika ilgainiui atsipildo.
Ličio jonų baterijos greičiausiai susidėvi, kai laikomos aukšto įtampos lygiu, ypač apie 4,2 voltų vienam elementui. Pagal naujausius tyrimus, baterijos įkrovą laikant tarp 20 % ir 80 %, cheminis stresas baterijų elementuose sumažėja maždaug du trečdalius, palyginti su tuo, kai leidžiama jas pilnai išsikrauti ir vėl pilnai įkrauti (kaip minėta Džefersono WI pramoninių baterijų tyrime 2023 m.). Net trumpalaikis perdažnis gali sukelti vidinę temperatūrą pavojingai padidėti, dėl ko didėja pavojus, kad įvyktų reiškinys, vadinamas šilumine nestabilumu. Nors daugelis naujesnių įkroviklių pasiekus apie 80 % iš tikrųjų perjungia į lėtesnį įkrovimo režimą, ilgai palikus baterijas prijungtas esant visiškai įkrautai būsenai, vis tiek vyksta elektrolito tirpalo skilimas viduje. Dėl šios priežasties protingi naudotojai dažnai atjungia savo įrenginius dar prieš pilnai užsikraunant.
Šiluma yra viena pagrindinių baterijų senėjimo priežasčių. Kas 8 °C (15 °F) virš 35 °C (95 °F), senėjimo greitis padvigubėja. Nacionalinės Idaho laboratorijos tyrimas (2022 m.) parodė, kad ličio jonų baterijos, naudojamos 40 °C temperatūroje, praranda 50 % talpos dvigubai mažesniame ciklų skaičiuje lyginant su tomis, kurios veikia 20 °C temperatūroje. Paprasti apdairumo žingsniai padeda:
Prastesnės kokybės įkrovikliai dažnai neturi tinkamos įtampos reguliacijos, todėl baterijos patiria žalingus svyravimus. 2024 m. pramonės ataskaita parodė, kad 78 % nesertifikuotų USB-C įkroviklių viršijo saugią įtampos ribą daugiau nei 10 %. Norėdami apsaugoti baterijos sveikatą, pasirinkite įkroviklius su:
Ši neteisinga nuostata kilo iš senesnių nikelyje-kadmije esančių baterijų, kurios kentėjo nuo „atminties efekto“. Šiuolaikinės litio-jonų baterijos geriausiai veikia dėl dažnų, dalinių įkrovimų. Pilnos iškrovos padidina elektrocheminį krūvį ir greitina talpos mažėjimą. Pavyzdžiui, ciklai tarp 40 % ir 80 % įkrovos sumažina degradaciją 30 % lyginant su pilnais 0 %–100 % ciklais.
Šiuolaikinės baterijų valdymo sistemos iš tiesų neleidžia perdauginti, tačiau ilgą laiką laikant bateriją visiškai įkrauta 100 %, ypač įkraunant naktį, vis tiek tenkama papildoma apkrova viduje esantiems cheminiams komponentams. Naujausi 2023 metų šiluminio vaizdavimo tyrimai parodė ir kai ką įdomaus: baterijos, kurios liko prijungtos, kol vartotojas miegojo naktį, vidaus temperatūroje buvo apie 8 laipsnių C šilčiau, palyginti su tomis, kurios buvo įkraunamos trumpesniais etapais per dieną. Dauguma žmonių pastebi, kad kasdieniam naudojimui geriausiai tinka įkrovimo nutraukimas, kai įrenginys pasiekia apie 80–90 procentų įkrovą. Toks požiūris sumažina laiką, kurį baterijos elementai praleidžia aukšto įtampos sąlygomis, todėl ilgainiui padeda išlaikyti jų tarnavimo laiką.
Dalinis išsikrovimas žymiai pailgina baterijos tarnavimo laiką – 50 % išsikrovimo gylis užtikrina maždaug dvigubai daugiau ciklų nei pilnas išsikrovimas. Įsigalvokite tokius įpročius:
Greitas įkrovimas sukuria iki 40 % daugiau šilumos nei standartinis įkrovimas, dėl ko padidėja terminis krūvis ant anodinių medžiagų. Greitinio senėjimo testai parodo, kad dėl to komponentai gali senėti 2,3 karto greičiau. Naudokite greitąjį įkrovimą tik esant būtinybei ir didinant greitį nuimkite apsaugines dangas, kad pagerėtų šilumos sklaida ir išliktų baterijos vientisumas.