EN
Швидкі посилання
Акумулятори зазнають незначного зносу після кожного циклу зарядки, оскільки іони рухаються всередині них, а електроди розширюються під час заряджання. Коли літій-іонні елементи працюють на екстремальних рівнях — майже порожні або повністю заряджені — це створює додаткове навантаження на анодну частину акумулятора. Згідно з дослідженням Національної лабораторії відновлювальної енергетики ще за 2020 рік, такий режим використання може скорочувати ємність акумулятора аж на 24% на рік порівняно зі збалансованим використанням. Проблема посилюється, коли пристрої регулярно заряджаються понад 90%, оскільки це призводить до явища, що називається літієвим покриттям (літієвим шаруванням), — однієї з основних причин, чому акумулятори з часом втрачають свою ефективність.
Підтримання рівня заряду літій-іонних акумуляторів приблизно в межах від 30% до 70% допомагає запобігти утворенню неприємних кристалічних структур на електродах, зменшуючи їх близько на 40% порівняно з повним розрядом акумулятора від 0 до 100%. Департамент енергетики досліджував це ще у 2019 році й виявив цікавий факт: їхні випробування показали, що коли такі акумулятори розряджаються лише наполовину (приблизно до 50%), вони витримують від 1200 до 1500 циклів зарядки, перш ніж їхня ємність знизиться до 80% від початкової. Це значно більше, ніж усього 500 циклів при повторних повних циклах розряду. Виробники автомобілів також звернули на це увагу. Багато електромобілів тепер обмежують швидку зарядку на позначці 80%, щоб зберегти довговічність дорогих акумуляторних батарей. Tesla, Nissan та інші використовують подібні підходи в конструкції своїх EV.
| Глибина розряду | Середній термін циклічної стійкості | Збереження ємності через 3 роки |
|---|---|---|
| 100% (повна) | 500 циклів | 65%-70% |
| 50% | 1 200 циклів | 85%-88% |
Коли ми говоримо про цикл розряду батареї, ми маємо на увазі використання 100% повної ємності акумулятора, незалежно від того, чи це відбувається одразу, коли пристрій повністю розряджається, чи через кілька менших підзаряджань протягом дня. Сучасні акумулятори враховують цей знос таким чином, що пояснює, чому люди можуть мати дуже різний досвід експлуатації батареї свого пристрою, навіть якщо вони володіють абсолютно однаковими моделями. Ті, хто зазвичай підзаряджає свої пристрої частково, як правило, виявляють, що їхній акумулятор все ще зберігає близько 92% первісної потужності після приблизно 500 повних циклів заряду. У порівнянні з тими, хто регулярно дозволяє своїй батареї розряджатися до нуля, їхні пристрої часто втрачають ємність до лише 76% після подібного режиму використання, згідно з деякими тестами, проведеними Consumer Reports у 2022 році.
Підтримання рівня заряду літій-іонних акумуляторів у межах від 20% до 80% значно зменшує електрохімічне навантаження, якому вони піддаються з часом. Згідно з останніми дослідженнями Battery University (2023 рік), якщо обмежити напругу заряджання приблизно до 3,92 вольта на елемент (що відповідає близько 65% SOC), термін служби таких акумуляторів значно збільшується перед необхідністю заміни. Замість звичайних 300–500 циклів при повному заряді 4,2 вольта на елемент, такий підхід забезпечує до приблизно 2400 циклів. Чому це так добре працює? Це допомагає запобігти двом основним проблемам, що скорочують термін життя акумулятора: утворенню літієвого шару на аноді та окисленню катодного матеріалу. Саме ці процеси в основному призводять до деградації акумуляторів із часом.
| Рівень заряду (В/елемент) | Діапазон терміну служби (циклів) | Збереження ємності |
|---|---|---|
| 4,20 (100% SOC) | 300–500 | 100% |
| 3,92 (65% SOC) | 1200–2000 | 65% |
Люди, яким більше важливе збереження терміну служби акумулятора, ніж використання кожної можливої хвилини роботи пристрою, можуть розглянути варіант підтримки рівня заряду в межах від 25% до 75%. Такий підхід зменшує щоденні коливання напруги приблизно на 35%, що сповільнює зростання SEI-шару на елементах акумулятора. Саме SEI-шар в основному призводить до деградації акумуляторів із часом. Звичайно, цей метод передбачає втрату близько 15–20% доступної ємності в будь-який момент, але для пристроїв, які не використовуються цілодобово, таких як системи резервного живлення чи сезонне обладнання, виграш є значним. Деякі тести показують, що такі акумулятори можуть віддати утричі більше загальної енергії за весь термін експлуатації, якщо працювати в цьому вужчому діапазоні.
Коли літієві акумулятори тривалий час перебувають на рівні заряду понад 80%, вони схильні швидше деградувати, оскільки їхній внутрішній опір зростає разом із накопиченням тепла всередині елементів. Наукові дослідження показують, що заряджання повністю до 100% при 4,2 вольта на елемент фактично скорочує термін служби акумулятора вдвічі порівняно з підтриманням рівня близько 4,0 вольта. Якщо розглянути реальні пристрої, наприклад, смартфони, людина, яка кожного дня заряджає свій телефон до 100%, може помітити, що через дванадцять місяців акумулятор утримує лише близько 73% своєї початкової ємності. Але якщо інша людина регулярно обмежує заряд до 80%, її акумулятор, ймовірно, зберігатиме ефективність понад 90% навіть після цілого року повсякденної експлуатації.
Часткові розряди зменшують навантаження на матеріали акумулятора, знижуючи механічні напруження під час циклів заряду-розряду. Поверхневе використання (наприклад, 20–40% розряду перед повторним заряджанням) обмежує розширення та стискання електродів, тоді як глибокі цикли призводять до більш різких структурних змін, що сприяють утворенню тріщин у катодах і нестабільність на межах електроліту.
Дослідження показують, що акумулятори, які піддаються 100% глибині розряду (DoD), втрачають ємність утричі швидше порівняно з тими, що працюють при 50% DoD. Найкращі галузеві практики враховують це, роблячи акцент на часткових розрядах, щоб запобігти деградації кристалічної решітки в активних матеріалах.
Зв'язок між глибиною розряду та терміном служби в циклах має логарифмічну тенденцію:
| Глибина розряду (DOD) | Середній термін служби (Li-ion) |
|---|---|
| 100% | 300–500 циклів |
| 80% | 600–1 000 циклів |
| 50% | 1 200–2 000 циклів |
| 20% | 3000+ циклів |
Підтримання розряду батареї на рівні приблизно 50% глибини розряду фактично захищає кристалічну структуру всередині катодів нікель-марганець-кобальту та забезпечує стабільність на іонному рівні. Дослідження минулого року показали також цікаві результати. Коли батареї використовувалися приблизно на половину їхньої ємності, вони зберігали близько 92% початкової потужності навіть після 1000 циклів зарядки. Але коли користувачі повністю розряджали їх щоразу, ті самі батареї втрачали майже 40% своєї ємності вже до 400 циклу. Це створює велику різницю. Для пристроїв, де надійність має найвищу важливість, наприклад, життєво важливе медичне обладнання або зберігання сонячної енергії, такий підхід із неглибокими циклами дійсно виправдовує себе в довгостроковій перспективі.
Літій-іонні акумулятори найшвидше зношуються, коли перебувають під високим рівнем напруги, особливо близько 4,2 вольта на елемент. Згідно з деякими останніми дослідженнями, підтримання заряду акумулятора в межах від 20% до 80% зменшує хімічне навантаження всередині елементів акумулятора приблизно на дві третини порівняно з повним розрядом і зарядом (як зазначено в Дослідженні промислових акумуляторів у Джефферсоні, штат Вісконсин, ще 2023 року). Навіть короткочасне перевантаження може спричинити небезпечне підвищення внутрішньої температури, що збільшує ймовірність виникнення серйозної аварійної ситуації, відомої як тепловий пробій. Хоча багато сучасних зарядних пристроїв автоматично перемикаються на повільний режим заряджання після досягнення приблизно 80%, залишення акумуляторів підключеними після повного заряду протягом тривалого часу призводить до руйнування електроліту всередині. Саме тому розумні користувачі часто відключають свої пристрої ще до того, як індикатор покаже повний заряд.
Тепло є одним із головних чинників деградації акумуляторів. З кожним підвищенням температури на 8°C (15°F) вище 35°C (95°F) швидкість старіння подвоюється. Дослідження Національної лабораторії Айдахо (2022 рік) показало, що літій-іонні акумулятори, які експлуатувалися при 40°C, втрачали 50% ємності за удвічі меншу кількість циклів у порівнянні з тими, що працювали при 20°C. Допомагають прості заходи:
Некваліфіковані зарядні пристрої часто не мають належного регулювання напруги, через що акумулятори піддаються шкідливим коливанням. Звіт галузевої асоціації 2024 року показав, що 78% несертифікованих зарядних пристроїв USB-C перевищували безпечні межі напруги більше ніж на 10%. Щоб захистити стан акумулятора, обирайте зарядні пристрої з такими характеристиками:
Це забобон походить від старих нікель-кадмієвих акумуляторів, які страждали від «ефекту пам'яті». Сучасні літій-іонні акумулятори найкраще працюють за умови частого часткового заряджання. Глибокі розряди збільшують електрохімічне навантаження та прискорюють втрату ємності. Наприклад, цикливання між 40% та 80% зарядом зменшує деградацію на 30% порівняно з повними циклами від 0% до 100%.
Сучасні системи управління батареями дійсно запобігають перезаряджанню, але тримання батареї на рівні 100% протягом тривалого часу, особливо під час нічного заряджання, все ще створює додаткове навантаження на хімічні компоненти всередині. Нещодавні тести з тепловізійним зніманням 2023 року також показали цікавий результат. Батареї, які залишалися підключеними, коли пристрій «спав» упродовж ночі, нагрівалися всередині приблизно на 8 градусів Цельсія сильніше, порівняно з тими, що заряджалися короткими імпульсами протягом дня. Більшість людей виявляють, що відключення пристрою від мережі, коли рівень заряду досягає приблизно 80–90%, найкраще підходить для повсякденного використання. Такий підхід скорочує час, протягом якого елементи батареї перебувають у стані високої напруги, що допомагає зберегти їхній термін служби.
Часткові розряди значно подовжують термін служби батареї — 50% глибини розряду забезпечує приблизно удвічі більше циклів, ніж повні розряди. Виробіть такі звички:
Швидка зарядка створює на 40% більше тепла, ніж стандартна зарядка, що збільшує теплове навантаження на матеріали анода. Прискорені тести старіння показують, що це може призводити до деградації компонентів у 2,3 рази швидше. Використовуйте швидку зарядку лише за необхідності та знімайте захисні чохли під час сеансів високої швидкості, щоб покращити відведення тепла й зберегти цілісність акумулятора.