Lityum Bazlı Piller Nasıl Uzatılır?

Li-iyonun yaşlanmasına neyin sebep olduğunu ve pilin kullanım ömrünü uzatmak için neler yapabileceğini keşfedin.

Pil araştırmaları, lityum kimyacılığına odaklanıyor, ki bu, pilin geleceğinin yalnızca lityumda olduğunu hayal edebiliyordu. Lityum iyonun, birçok yönden, diğer kimyasallara göre üstün olduğu konusunda iyimser olmak için iyi sebepler vardır. Uygulamalar büyüyor ve daha önce bekletme ve yük dengeleme gibi kurşun asit tarafından sağlam bir şekilde tutulan pazarlara tecavüz ediyorlar. Birçok uydu da Li-ion tarafından desteklenmektedir.

Lityum iyon henüz tam olarak olgunlaşmamış ve hala gelişmektedir. Kapasite kademeli olarak artarken, uzun ömürlülük ve güvenlik konusunda kayda değer gelişmeler kaydedilmiştir. Bugün, Li-ion çoğu tüketici cihazının beklentilerini karşılamaktadır, ancak bu güç kaynağı kabul edilen norm haline gelmeden önce EV uygulamaları daha fazla gelişmeye ihtiyaç duymaktadır.

Lityum İyon Yaşlanmaya Neden Olan Nedir?

Lityum iyon pil, pozitif ve negatif elektrotlar arasındaki iyon hareketi üzerinde çalışır. Teoride, böyle bir mekanizma sonsuza kadar çalışmalıdır, fakat bisiklet, yüksek sıcaklık ve yaşlanma, zaman içindeki performansı azaltır. Üreticiler muhafazakâr bir yaklaşım sergiliyor ve çoğu tüketici ürününde Li-ion'un ömrünü 300 ila 500 deşarj / şarj döngüsü arasında belirtiyorlar.

Sayım döngülerindeki pil ömrünün değerlendirilmesi kesin değildir çünkü bir deşarj derinlik olarak değişebilir ve bir döngü oluşturan neyin açık bir şekilde tanımlanmış standartları yoktur. Döngü sayımı yerine, bazı cihaz üreticileri bir tarih damgasında pil değiştirmeyi önerir, ancak bu yöntem kullanımı dikkate almaz. Bir pil, ağır kullanım veya uygun olmayan sıcaklık koşulları nedeniyle ayrılan süre içinde başarısız olabilir; Bununla birlikte, çoğu paket, damganın gösterdiğinden çok daha uzun süre dayanır.

Bir bataryanın performansı, lider bir sağlık göstergesi olan kapasite olarak ölçülür. İç direnç ve kendi kendine deşarj da rol oynar, ancak bunlar modern Li-ion ile pil ömrünün sonunu tahmin etmede daha az önemlidir.

Şekil 1, bir Cadex laboratuarında çevrilmiş 11 Li-polimer pillerin kapasite düşüşünü göstermektedir. Cep telefonları için 1.500 mAh'lik kese hücreleri ilk olarak 1.500mA (1C) ila 4.20V / hücre akımında şarj edildi ve daha sonra tam şarj doygunluğunun bir parçası olarak 0.05 ° C'ye (75mA) doymaya bırakıldı. Piller daha sonra 1.500mA'dan 3.0V / hücresine boşaltıldı ve döngü tekrarlandı. Li-ion pillerin beklenen kapasite kaybı, teslim edilen 250 devir boyunca eşit ve piller beklendiği gibi gerçekleştirildi.

On bir yeni Li-ion, bir Cadex C7400 akü analizörü üzerinde test edildi. Tüm paketler% 88-94 oranında başladı ve 250 tam deşarj döngüsünden sonra% 73-84'e düştü. Cep telefonlarında 1500mAh'lik kese paketleri kullanılmaktadır.

Aşağıdaki tablolar kobalt bazlı lityum-iyon üzerindeki strese bağlı kapasite kayıplarını göstermektedir. Lityum demir fosfat ve lityum titanatın gerilimleri daha düşüktür ve verilen voltaj referanslarına uygulanmaz.
Bir pil, hizmetin ilk yılında yüzde 100 kapasite sunsa da, belirtilen kapasiteden daha düşük görülmesi yaygındır ve raf ömrü bu zarara katkıda bulunabilir. Buna ek olarak, üreticiler çok az kullanıcının nokta kontrolleri yapacağını ve düşükse şikayet edeceğini bilerek, pillerini aşma eğilimindedir. Çok hücreli paketlerde gerektiği gibi, cep telefonlarında ve tabletlerde tek hücrelerle eşleşmek zorunda kalmamak, daha geniş bir performans kabulüne yönelik olarak taşkınları açar. Düşük kapasiteye sahip hücreler, tüketiciyi bilmeden çatlaklardan kayabilir.

Ağır kullanımla daha hızlı yıpranan mekanik bir cihaza benzer şekilde, deşarj derinliği (DoD) akünün döngü sayısını belirler. Deşarj (düşük DoD) ne kadar küçük olursa, batarya ne kadar uzun süre dayanır. Mümkünse, tam deşarjlardan kaçının ve pili kullanımları arasında daha sık şarj edin. Li-iyon üzerinde kısmi deşarj iyidir. Bellek yok ve pil ömrünü uzatmak için periyodik tam deşarj döngülerine ihtiyaç duymuyor. İstisna, akıllı pil veya akıllı cihazdaki yakıt göstergesinin periyodik olarak kalibre edilmesi olabilir.

Tablo 2, Li-ion'un akü kapasitesi yüzde 70'e düşmeden önce çeşitli DoD seviyelerinde verebileceği boşaltma / şarj döngülerinin sayısını tahmin etmektedir. DoD, tam şarjı ve ardından tablodaki belirtilen durum (SoC) seviyesine bir deşarj oluşturur.

Lityum iyon ısıya maruz kaldığında strese maruz kalır, bu nedenle bir hücreyi yüksek bir şarj voltajında ​​tutar. 30 ° C (86 ° F) üzerindeki bir pil yüksek sıcaklık olarak kabul edilir ve çoğu Li-iyon için 4.10V / hücre üzerindeki bir voltaj yüksek voltaj olarak kabul edilir . Bataryayı yüksek sıcaklığa maruz bırakmak ve uzun bir süre boyunca tam şarj durumunda kalmak bisiklet sürmekten daha stresli olabilir. Tablo 3, sıcaklık ve SoC'nin bir fonksiyonu olarak kapasite kaybını göstermektedir.

Çoğu Li iyonlar, 4.20V / hücre şarj eder ve 0.10V / hücre pik yük voltajındaki her düşüşün çevrim ömrünü ikiye katladığı söylenir. Örneğin, 4.20V / hücresine şarj edilen bir lityum-iyon hücresi tipik olarak 300-500 devir verir. Sadece 4.10V / hücre ile şarj edilirse, hayat 600-1000 devire kadar uzatılabilir; 4.0V / cell, 1.200–2.000 ve 3.90V / hücre teslim etmeli, 2.400-4.000 döngü sağlamalıdır.

Negatif tarafta, daha düşük bir tepe şarj voltajı, pilin depoladığı kapasiteyi azaltır. Basit bir kılavuz olarak, şarj voltajındaki her 70mV'lik azalma, toplam kapasiteyi yüzde 10 düşürür. Bir sonraki şarjda pik şarj voltajının uygulanması, tam kapasiteyi geri yükleyecektir.

Uzun ömürlülük açısından, optimum şarj voltajı 3.92V / hücre. Akü uzmanları bu eşiğin tüm gerilim ile ilgili gerilmeleri ortadan kaldırdığına inanırlar; Daha aşağı gitmek, başka faydalar kazanmayabilir ancak diğer semptomları indükleyebilir. Tablo 4, kapasiteyi şarj seviyelerinin bir fonksiyonu olarak özetlemektedir. (Tüm değerler tahmin edilir; Daha yüksek voltaj eşikleri olan Enerji Hücreleri sapabilir.)

Deney: Chalmers University of Technology, İsveç,% 50 SOC oranındaki azaltılmış şarj seviyesinin aracın Li-ion bataryanın ömrünü% 44–130 artırdığını bildiriyor.

Cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, tabletler ve dijital fotoğraf makineleri için şarj cihazlarının çoğu Li-ion'u 4,20 V / hücreye şarj ediyor. Bu maksimum kapasiteye izin verir, çünkü tüketici optimal çalışma süresinden daha az bir şey istemez. Diğer taraftan sanayi, uzun ömürlülük konusunda daha fazla endişe duymakta ve daha düşük voltaj eşiklerini seçebilmektedir. Uydular ve elektrikli araçlar örneklerdir.

Güvenlik nedenleriyle, birçok lityum iyonları 4.20V / hücreyi geçemez. (Bazı NMC'ler istisnadır.) Daha yüksek bir voltaj kapasiteyi artırırken, voltajı aşmak hizmet ömrünü kısaltır ve güvenliği tehlikeye sokar. Şekil 5, şarj voltajının bir fonksiyonu olarak çevrim sayısını göstermektedir. 4.35V'da, düzenli Li-iyonun döngü sayısı ikiye kesilir.

Belirli bir uygulama için en uygun voltaj eşiklerini seçmenin yanı sıra, düzenli bir Li-iyon, uzun bir süre boyunca 4.20V / hücre yüksek voltajlı tavanda kalmamalıdır. Li-ion şarj cihazı şarj akımını kapatır ve akü voltajı daha doğal bir seviyeye döner. Bu, yorucu bir egzersizin ardından kasları gevşetmek gibidir.

Şekil 6, çeşitli yüklerde ve deşarj bant genişliklerinde Li-iyon döngüsü sırasında kapasite kaybını yansıtan dinamik stres testlerini (DST) göstermektedir. En yüksek kapasite kaybı, tamamen yüklü bir Li-iyonun yüzde 25'e (SoC) (siyah) boşalmasıyla gerçekleşir; Tamamen boşalırsa kayıp daha yüksek olur. Yüzde 85 ile yüzde 25 arasında değişen (yeşil) bisiklet, yüzde 100'e ve yüzde 50'ye (koyu mavi) boşalmaya göre daha uzun bir servis ömrü sağlar. En küçük kapasite kaybı Li-ion'un yüzde 75'e kadar şarj edilmesi ve yüzde 65'e boşalmasıyla elde edilir. Bununla birlikte, bu, pili tam olarak kullanmamaktadır. Yüksek voltajların ve yüksek sıcaklığa maruz kalmanın, normal koşulda aküyü daha hızlı düşürdüğü söylenir.

^{Nezaket: ResearchGate - Hücre Ömrü Değerlendirmesi için Lityum İyon Pil Bozulmasının Modellenmesi.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Döngü sayısı için Tablo 2 ve Şekil 6 arasında tutarsızlıklar vardır. Pil kalitesindeki ve test yöntemlerindeki farklılıklar varsayıldığından net açıklamalar yoktur. Düşük maliyetli tüketici ve dayanıklı endüstriyel kaliteler arasındaki farklar da rol oynayabilir. Kapasite tutulması, 20 ° C'den yüksek sıcaklıklarda daha hızlı azalır.

Sadece tam devir, bir bataryanın belirtilen enerjisini sağlar. Modern bir Enerji Hücresi ile bu 250Wh / kg'dır, ancak çevrim ömrü tehlikeye girecektir. Tümü lineer,% 85-25 arası uzamış orta aralıklı enerji, enerjiyi% 60'a düşürür ve bu, spesifik enerji yoğunluğunu 250Wh / kg'dan 150Wh / kg'a çevirmeye eşittir. Cep telefonları, bir pilin tam enerjisini kullanan tüketim mallarıdır. EV gibi endüstriyel cihazlar, tipik olarak şarjı% 85 ile sınırlandırır ve pil ömrünü uzatmak için% 25'e kadar deşarj eder.

Şekil 7, ilerici döngü ile akü kapasitesinin doğrusal bozulmasını varsayan bir ekstrapolasyon programı kullanarak, Li-iyonun öngörülen çevrim ömrünü genişletmek için Şekil 6'daki verileri tahmin etmektedir. Eğer bu doğru olsaydı, o zaman% 75-25% SoC (mavi) içinde dolanan bir Li-ion batarya 14.000 devirden sonra% 74'e varacaktı. Bu batarya aynı derinlik deşarjı (yeşil) ile% 85 oranında doldurulduysa, kapasite 14.000 devirde% 64'e düşecek ve aynı DoD (siyah) ile% 100 şarj olacak ve kapasite% 48'e düşecektir. . Bilinmeyen nedenlerle, gerçek yaşam beklentisi simüle modellemeden daha düşük olma eğilimindedir.

Li-ion piller üç farklı SoC seviyesine şarj edilir ve çevrim ömrü modellenir. Şarj aralığını sınırlamak pil ömrünü uzatır, ancak verilen enerjiyi azaltır. Bu, artan ağırlık ve daha yüksek başlangıç ​​maliyetine yansır.
^{Kullanım izni ile. OriginLab tarafından enterpolasyon / ekstrapolasyon.}

^{Pil üreticileri genellikle bir pilin çevrim ömrünü 80 DoD ile belirtir. Bu, piller normal kullanımda şarj edilmeden önce bazı yedekleri tutması gerektiği için pratiktir. (Bkz. BU-501: Boşaltma ile ilgili Temel Bilgiler , “Bir Deşarj Döngüsünü Oluşturan”) DST (dinamik stres testi) üzerindeki döngü sayısı, pil tipi, şarj süresi, yükleme protokolü ve çalışma sıcaklığı ile farklılık gösterir. Laboratuvar testleri genellikle sahada elde edilemeyen sayılar alır.}

Kullanıcı ne yapabilir?

Çevresel koşullar, yalnız bisiklet sürmemekte, lityum iyon akülerin uzun ömürlülüğünü yönetmektedir. En kötü durum, yüksek sıcaklıklarda tam şarjlı bir pil tutmaktır. Pil paketleri aniden ölmez, ancak kapasite azaldıkça çalışma süresi yavaş yavaş kısalır.

Düşük şarj voltajları pil ömrünü uzatır ve elektrikli araçlar ve uydular bundan faydalanır. Tüketici cihazları için de benzer hükümler yapılabilir, ancak bunlar nadiren sunulur; Planlanan eskime bununla ilgilenir.

AC şebekesine bağlandığında şarj voltajını düşürerek bir dizüstü bilgisayar pili uzatılabilir. Bu özelliği kullanıcı dostu yapmak için, bir cihazın pilini 4.05V / hücre düzeyinde tutan ve yaklaşık yüzde 80'lik bir SoC sunan “Uzun Ömürlü” modu bulunmalıdır. Seyahatten 1 saat önce, kullanıcı “Tam Kapasite” modunu kullanarak şarjı 4.20V / hücre seviyesine getiriyor.

“Dizüstü bilgisayarımı elektrik şebekesinden çıkarmam gerekirken kullanılmamalı mıyım?” Sorusu sorulmaktadır. Normal koşullarda bu gerekli olmamalıdır çünkü Li-ion pil dolu olduğunda şarj işlemi durur. Bir tepesi doldurma şarjı sadece akü voltajı belirli bir seviyeye düştüğünde uygulanır. Çoğu kullanıcı AC gücünü kaldırmaz ve bu uygulama güvenlidir.

Modern dizüstü bilgisayarlar, eski modellerden daha soğuk çalışır ve bildirilen yangınlar daha azdır. Bir yatak veya yastık üzerine hava soğutmalı elektrikli cihazlar çalışırken daima hava akışını engellemeyin. Serin bir dizüstü bilgisayar pil ömrünü uzatır ve dahili bileşenleri korur. Tüketici ürünlerinin çoğunun sahip olduğu Enerji Hücreleri, 1 C veya daha düşük bir oranda şarj edilmelidir. Li-ion'u bir saatten daha kısa sürede tamamen şarj ettiğini iddia eden ultra hızlı şarj cihazları kullanmayın.