Портативті қайта зарядталатын батареяның жұмыс істеу мерзімін оптимизациялау

Литий-иондық ыдырау портативті литий батареясының қызмет ету мерзіміне қалай әсер етеді

Электрохимиялық старение: SEI өсуі және литий қорының жоғалуы

Литий ионды аккумуляторлардың бұзылуы электрохимиялық старение әсерінен микроскопиялық деңгейде басталады. Мұнда маңызды рөл атқаратын зат — анодта уақыт өте келе пайда болатын қатты электролиттік шекара (SEI) қабаты. Құрылғыларымызды зарядтауды жалғастырған сайын бұл қабық қалыңдай береді. Бұл активті литий иондарын жояды және сонымен қатар ішкі кедергіні арттырады. Нәтижесінде смартфондар мен ноутбуктар сияқты құрылғыларға ең керек уақытта жалпы сыйымдылықтың төмендеуі мен әлсіз қуат беру байқалады. Басқа да мәселелер бар. Мысалы, дұрыс химиялық реакциялар орындарына металдық тұнба пайда болатын литийдің пластинасы, сонымен қатар литийдің тағы да көбірек шығынына әкелетін электролиттің ыдырауы. 2021 жылғы «Журнал of The Electrochemical Society» зерттеуі көрсеткеніндей, шамамен 500 зарядтау циклінен кейін көпшілік аккумуляторлар өзінің бастапқы сыйымдылығының шамамен 20% жоғалтады. Зарядталу кезінде электродтық материалдардың үнемі кеңеюі мен сығылуы нәтижесінде пайда болатын электрод материалдарындағы ұсақ трещиналар туралы да ұмытпау керек. Бұл трещиналар бәрін тезірек нашарлатады. Литий ионды технологиялардың ескі аккумулятор түрлерінен айырмашылығы — бұл барлық бұзылу құрылғы қолданылмай жатқан кезде де жүріп жатады. батарея олар біздің қалта немесе жәшіктерімізде пайдаланылмай жатады. Қазіргі заманның электр көздері негізінен осылай жұмыс істейді.

Разряд тереңдігі (DoD) және циклдық қызмет ету мерзімі: Портативті құрылғылар үшін DOE-дің эмпирикалық деректері нені көрсетеді

Портативті электроника қанша уақыт жұмыс істейтініне байланысты, біз аккумуляторларды қаншалықты терең разрядтайтынымыз шынымен маңызды. АҚШ Энергетика министрлігінің зерттеулеріне сәйкес, разрядтың төмен деңгейін сақтау үлкен айырмашылық жасайды. Шамамен 30% разряд деңгейінде пайдаланылатын литий-иондық аккумуляторлар әдетте 3000-ден 5000 заряд цикліне дейін жұмыс істейді, бұл рет-ретімен 80%-ға дейін тартылып отыратын аккумуляторлардан шамамен үш есе ұзақ. Біз аккумуляторларды тым көп жүктегенде, SEI қабаты тез өседі, сонымен қатар температура көтерілген кезде әсіресе пайда болатын литий пластикациясы деп аталатын қауіпті құбылыс байқалады. Мұндай мүгедектендіру аккумуляторлардың қалыптыға қарағанда 40% дейін тезірек тозуына әкелуі мүмкін. Тұрақты жұмыс істеуі қажет болатын қуат банктері немесе медициналық құралдар сияқты күнделікті құрылғылар үшін шамамен 50% разряд деңгейін сақтау қызмет көрсету өмірін шамамен 18-24 айға дейін ұзартады. Аккумуляторлардың өндірушілері оларды толық босанудан толық зарядталуға дейін емес, әдетте 20%-дан 80%-ға дейінгі заряд деңгейінде ұстауды ұсынады. Бұл тәсіл жалпы алғанда 40% артық пайдаланылатын цикл береді, сондықтан көптеген құрылғы өндірушілері қазір аккумулятор өмірін ұзартудың ақылды жолы ретінде бөлшектеп циклдауды ескеріп өз өнімдерін жобалайды.

Портативты, қайта зарядталатын литий батареялардың максималды қызмет ету мерзімі үшін температураны басқару

Жылулық тиімді ауқым: 15–25°C температура литийдің пластина түзілуін немесе жылулық кернеуді болдырмау үшін неге ең қолайлы

Портативтық, қайта зарядталатын литий батареялар 15-25 градус Цельсий аралығында сақталғанда ең жақсы жұмыс істейді. Бұл идеалды температура диапазонында электролиттің қатты шекаралық (SEI) қабатының өсуі қатты баяулап, уақыт өте келе литий материалдарының жоғалуы азаяды. Бұл қауіпсіздікті сақтай отырып, батареяның ұзақ жұмыс істеуін білдіреді. Егер батареяларды тым суық ауада зарядтау орындалса, иондар электролит арқылы баяу қозғалғандықтан, литийдің пластина түрінде шөгуі (литийдің пластинациясы) пайда болуы мүмкін. Бұл батарея ішінде тікелей қауіпті, ине тәрізді құрылымдар — дендриттер түзілуіне әкеледі. Керісінше, жоғары температурада зарядтау электролит ерітіндісін ыдырататын және токқа қарсы кедергіні арттыратын химиялық реакциялардың барлық түрін жылдамдатады. Құрылғыларының жылдар бойы жақсы жұмыс істеуін қалайтын әркім үшін батареяларды температурасы тұрақты орында сақтау осындай мәселелерден аулақ болып, уақыт өте келе жақсы өнімділікті сақтауда үлкен айырмашылық жасайды.

Шын әлемдегі әсері: 35°C температурада 20°C-қа қарағанда қызмет ету мерзімі 40% қысқарады — бұл ноутбуктер, электр қорлары мен медициналық портативті құрылғылар үшін маңызды

Батареялар жоғары температурада жұмыс істегенде немесе ұзақ уақыт ыстық орында сақталғанда, уақыт өте келе олардың жұмыс істеуіне нақты әсері бар. Зерттеулер 35 градус Цельсийдегі температураның стандартты 20°C-пен салыстырғанда батареяның қызмет ету мерзімі шамамен 40% төмендейтінін көрсетеді. Бұл ішкі химиялық реакциялардың жылдамдалуына байланысты болады, нәтижесінде SEI қабатының пайда болуы мен электролиттің ыдырауы сияқты құбылыстар байқалады. Ноутбуктың иелері ыстық орындарда жұмыс істегенде мұны байқауы мүмкін — олардың құрылғылары арасында зарядтан толтыру арасында созылмайды және күтілетінінен гөрі тез сыйымдылығын жоғалтады. Күздің күндері машиналарға қалдырылған аккумуляторлық қоректендіру блоктары үшін де осының бәрі дәл сондай. Олар тұрақты зақымданады да, кейінірек сенімсіз болып қалады. Қақпақты пациент мониторлары сияқты медициналық құрылғылар үшін температураны басқару абсолютті түрде маңызды. Жеткілікті жылу режимі болмаған жағдайда, бұл құрылғылар дұрыс жұмыс істемейді және тіпті қауіп төндіруі мүмкін. Пассивті суыту жүйелерін қосу немесе құрылғыларды мүмкіндігінше тікелей күн сәулесінен сақтау арқылы бұл мәселелерді шешуге көмектесетін тәсілдер бар болса да, көбінесе адамдар өз құрылғыларын қайда және қалай сақтағанына назар аударуы керек.

Портативті литий-иондық аккумуляторлардың жұмыс істеу мерзімін ұзарту үшін заряд күйін ақылды пайдалану

Заряд күйінің 20–80% ережесі: Кернеу қысымы, катодтың тұрақтылығы және нақты өмірдегі ұзақ жұмыс істеу

Литий ионды аккумуляторларды шамамен 20% және 80% аралығында зарядтау электрхимиялық кернеуді азайтады және олардың жалпы қызмет ету мерзімін ұзартады. Ұяшықтар әрбір ұяшыққа шаққанда шамамен 4,1 вольттан жоғары кернеуге жеткенде катод материалдарында мәселелер басталады, олар құрылымдық түрде бұзылады және электролит тотығады. Керісінше, аккумуляторлардың заряды 20%-дан төменгі деңгейге дейін төмендеуі тұрақсыз анодтар мен «кері қайтарылмайтын литий пластинасы» деп аталатын құбылыс үшін қауіп тудырады. Бұл екі жағдайдан да қашық болу 20-80% зарядтау диапазонының шынында да SEI қабаттарының пайда болуын баяулатуын және электродтарды ұзақ уақыт бойы сақталуын қамтамасыз етеді. Шын әлемдегі сынақтар кезінде бұл жартылай зарядтау режимін сақтайтын құрылғылар тұрақты түрде бос күйден толық зарядталған күйге дейін зарядталатын құрылғыларға қарағанда шамамен 30% ұзақ қызмет ететіні көрсетілді.

Неліктен заманауи портативті литий-ионды аккумуляторларды 'толық разрядтау' зиянды — дәстүрлі NiCd мифтарын жою

Никель-кадмий батареялары еске сақтау мәселелерін болдырмау үшін толық разрядталуды қажет етті, бірақ қазір литий ионды технологиямен бәрі басқаша жұмыс істейді. Нөл пайызға дейін түсіп кету батареяларға уақыт өте келе зиян тигізеді. Адамдар оларды толық тартып отырған сайын, екі негізгі мәселе туындайды — мыс еріп шығады және анод трескілер пайда болады. Шамамен 500 зарядтау циклыдан кейін не болатынын қараңыз: әр рет түгелдей босаюына жеткен батареялар 20%-дан жоғары деңгейде сақталған батареяларға қарағанда шамамен 25% астам сыйымдылық жоғалтады. Тағы бір қиыншылық та бар. Терең разрядтар батарея басқару жүйесінде кернеудің төмендігінен блоктау деп аталатын құбылысты тудыруы мүмкін, ал бұл болған соң кейде батарея мүлдем жұмысын тоқтатады. Сондықтан да бөлшектеп разрядтау қаншалықты маңызды — ол тек жарамды ғана емес, батареялардың ұзақ мерзімді қызмет етуі үшін шынымен қажет.

Зарядтау стратегиясының компромисстері: Тез зарядтау мен портативті литий-ионды аккумулятордың қызмет ету мерзімі

Жылдам зарядтау әлбетте өмірді оңайлатады, бірақ оның құны бар. Бұл процесс шығатын жылу мен литий пластинасы деп аталатын құбылысқа байланысты аккумулятордың тез тозуына әкеледі. Біз аккумуляторға тым көп ток бергенде, олар қызады, бұл SEI қабатының бақылаусыз өсуіне әкеледі және қымбат литий иондарын жояды. Тіпті одан да жаманы, анодта уақыт өте келе металлдық тұнба пайда болады. Бұл тұнба әдеттегі зарядтау әдістерімен салыстырғанда аккумулятор сыйымдылығын шамамен 40% дейін азайтуы мүмкін. Баяу зарядтау иондарға дұрыс жылжу уақытын беретіндіктен, аккумулятордың ішкі бөлігін сақтап қалады, бірақ шынымен айта кететініміз, адамдар қозғалыста құрылғыларын зарядтау үшін сағаттар бойы күткісі келмейді. Жақсы ереже ретінде жылдам зарядтауды тек шыныға да қажет жағдайлар үшін сақтап қою керек. Күнделікті пайдалану үшін мүмкіндігінше 0,5C мен 1C арасындағы орташа зарядтау жылдамдығын қолданыңыз. Сонымен қатар, тез зарядтау кезінде аккумулятордың тым қызып кетуіне жол бермеу үшін температураны бақылап отырыңыз.

Портативтық резеңкелі литий-иондық батареяларды ұзақ уақыт сақтау бойынша нұсқаулық

Қоймада сақтау үшін идеалды жағдайлар: 10–15°C температурада 40–60% ЗҚК — Өнеркәсіп стандарттарымен расталған

Портативті литий батареяларды ұзақ уақыт сақтау кезінде заряд деңгейін шамамен 40-60% аралығында ұстап, 10-15 градус Цельсий аралығындағы салқын жерде сақтау қажет. Бұл нүкте ішкі химиялық құрамының бұзылуын болдырмауға және батареяның сезімтал бөліктеріне қысымды төмендетуге көмектеседі. Егер температура 25 градустан жоғары көтерілсе, газдың артық шығуы мен басқа да мәселелер салдарынан жағдай тез нашарлайды. Керісінше, батареялардың қуаты тым төмен болып тұруы ішіндегі металдың еру ықтималдығын және толығымен разрядталу салдарынан ауыр зақымдануды арттырады. Ылғалдылық – тағы бір дұшпан: 60% астам ылғалдылық олардың контактілерін бүліп жейді, сондықтан силикагель сияқты құрғату материалдары бар ыдысқа салу ең жақсы шешім болып табылады. Батарея қауіпсіздігінің белгілі сатандарттары (UL 1642, IEC 62133) осы ұсыныстарды растайды, ал оларды ұстану әдетте бір жыл сақтаудан кейін түпнұсқа қуатының шамамен 98% сақталуын білдіреді. Әр үш ай сайын шамамен заряд деңгейін тексеріп, қажет болса шамамен жартылай зарядқа дейін толықтыруды ұмытпаңыз. Сақтау кезінде толық разрядтау литий батареялар үшін өте жаман, себебі бұл анод құрылымын тұрақты түрде бұзады. Кейбір елемеушілікке шыдай алатын ескі NiCd түрлерінің керісінше, қазіргі заманғы литий батареялар сақтаудан шыққаннан кейін қайта дұрыс жұмыс істеуі үшін регулярлы түрде назар аударуды талап етеді.

Портативтық қайта зарядталатын литий батареялары бойынша жиі қойылатын сұрақтар

Температура литий батареясының қызмет ету мерзіміне қалай әсер етеді?

Температура литий батареясының жұмыс істеуіне үлкен әсер етеді. Жоғары температурада жұмыс істегенде батареяның бұзылуына әкелетін химиялық реакциялар тездейді, бұл қызмет ету мерзімін қысқартады.

Литий-ионды батареялар үшін идеалды заряд диапазоны қандай?

Литий-ионды батареялардың қызмет ету мерзімін ұзарту үшін оларға кернеудің 20%-дан 80%-ға дейінгі аралығында ұстау идеалды болып табылады, себебі бұл жүктемені азайтады.

Жылдам зарядтау неге батарея денсаулығына зиянды?

Жылдам зарядтау көбірек жылу бөліп шығарады және тогын көбірек талап етеді, бұл тозуды тездетеді және сыйымдылықты азайтатын литий тұнбаларының пайда болуына әкеледі.

Литий батареяларын сақтаудың ең жақсы шарттары қандай?

Химиялық ыдырауды азайту және қызмет ету мерзімін максималдандыру үшін литий батареяларын 40-60% зарядпен және 10-15°C арасындағы салқын ортада сақтаңыз.