Como Prolong Lítio-baseou baterias

December 11, 2018

Descubra o que fazem com que o Li-íon envelheça e o que o usuário da bateria pode fazer para prolongar sua vida.

A pesquisa da bateria está centrando-se sobre química do lítio tanto que se poderia imaginar que o futuro da bateria se encontra unicamente no lítio. Há umas boas razões estar por mais otimista que o lítio-íon seja, de várias maneiras, superior a outras química. As aplicações estão crescendo e estão invadindo nos mercados que foram guardados previamente solidamente por acidificado ao chumbo, tal como o nivelamento do apoio e de carga. Muitos satélites são postos igualmente pelo Li-íon.

o Lítio-íon não se amadureceu ainda inteiramente e ainda está melhorando. Os avanços notáveis foram feitos na longevidade e na segurança quando a capacidade aumentar incrementalmente. Hoje, o Li-íon encontra as expectativas da maioria de dispositivos mas de pedidos do consumidor para o desenvolvimento mais adicional da necessidade de EV antes que esta fonte de energia se transformar a norma aceitada.

Que faz com que o Lítio-íon envelheça?

A bateria do lítio-íon funciona no movimento do íon entre os elétrodos positivos e negativos. Na teoria tal mecanismo deve trabalhar para sempre, mas o ciclismo, a temperatura elevado e o envelhecimento diminuem o desempenho ao longo do tempo. Os fabricantes tomam uma aproximação conservadora e especificam a vida do Li-íon na maioria de produtos de consumo como estando entre 300 e 500 ciclos da descarga/carga.

A vida da bateria de avaliação em contar ciclos não é conclusiva porque uma descarga pode variar detalhado e não há nenhum padrão claramente definido do que constitui um ciclo. No lugar da contagem de ciclo, alguns fabricantes do dispositivo sugerem a substituição da bateria em um selo de data, mas este método não leva em conta o uso. Uma bateria pode falhar dentro do tempo distribuído devido ao uso pesado ou às condições de temperatura desfavoráveis; contudo, a maioria de blocos duram consideravelmente mais por muito tempo do que o que o selo indica.

O desempenho de uma bateria é medido na capacidade, um indicador principal da saúde. A resistência interna e a auto-descarga igualmente jogam papéis, mas estas são menos significativas em prever o fim da vida da bateria com Li-íon moderno.

Figura 1 ilustra a gota da capacidade de 11 baterias do Li-polímero que foram dadas um ciclo em um laboratório de Cadex. As pilhas do malote 1,500mAh para telefones celulares foram carregadas primeiramente em uma corrente de 1,500mA (1C) a 4.20V/cell e permitidas então saturar a 0.05C (75mA) como parte da saturação completa da carga. As baterias foram descarregadas então em 1,500mA a 3.0V/cell, e o ciclo foi repetido. A perda prevista da capacidade de baterias do Li-íon era uniforme sobre os 250 ciclos entregados e as baterias executaram como esperado.

O Li-íon onze novo foi testado em um analisador da bateria de Cadex C7400. Todos os blocos começaram em uma capacidade de 88-94% e diminuíram a 73-84% após 250 ciclos completos da descarga. Os blocos do malote 1500mAh são usados nos telefones celulares.


As seguintes tabelas indicam perdas relativas esforço da capacidade no lítio-íon cobalto-baseado. As tensões do fosfato do ferro do lítio e do titanate do lítio são mais baixas e não aplicam à tensão as referências dadas.
Embora uma bateria deva entregar 100 por cento de capacidade durante o primeiro ano de serviço, é comum ver mais baixo capacidades do que especificadas, e a vida útil pode contribuir a esta perda. Além, os fabricantes tendem a avaliar em excesso suas baterias, sabendo que muito poucos usuários farão ponto-verificações e se queixarão se baixo. Não tendo que combinar únicas pilhas nos telefones celulares e nas tabuletas, como é exigido em blocos da multi-pilha, abre as comportas para uma aceitação muito mais larga do desempenho. As pilhas com mais baixas capacidades podem deslizar através das quebras sem saber do consumidor.

Similar a um dispositivo mecânico que gaste mais rapidamente com uso pesado, a profundidade da descarga (DoD) determina a contagem de ciclo da bateria. Menor a descarga (baixo DoD), mais por muito tempo a bateria dura. Se em toda possível, evite descargas completas e carregue a bateria mais frequentemente entre usos. A descarga parcial no Li-íon é muito bem. Não há nenhuma memória e a bateria não precisa ciclos completos periódicos da descarga de prolongar a vida. A exceção pode ser uma calibração periódica do calibre de combustível em uma bateria esperta ou em um dispositivo inteligente.

 

 

 

Nota:

As tabelas 2, 3 e 4 indicam tendências gerais do envelhecimento de baterias cobalto-baseadas comuns do Li-íon na profundidade--descarga, temperatura e os níveis da carga, tabela 6 olham mais a perda da capacidade ao operar-se dentro das larguras de banda dada e da descarga. As tabelas não endereçam o carregamento ultrarrápido e as descargas altas da carga que encurtarão a vida da bateria. Nenhuma toda a bateria comporta-se o mesmos.

As avaliações da tabela 2 o número de Li-íon dos ciclos da descarga/carga podem entregar a vários níveis do DoD antes das gotas da capacidade da bateria a 70 por cento. O DoD constitui uma carga completa seguida por uma descarga ao nível indicado de (SoC) da estado--carga na tabela.

Profundidade da descarga Ciclos da descarga
(NMC/LiPO4)
Tabela 2: Vida de ciclo em função de
a profundidade da descarga parcial de discharge.* A reduz o esforço e prolonga a vida da bateria, assim que faz uma carga parcial. A temperatura elevado e as correntes altas igualmente afetam a vida de ciclo.

Nota: O DoD 100% é um ciclo completo; 10% é muito breve. Dar um ciclo na meados de-estado--carga teria a melhor longevidade.
DoD 100% ~300/600
80% DoD ~400/900
60% DoD ~600/1.500
40% DoD ~1.000/3.000
20% DoD ~2.000/9.000
10% DoD ~6.000/15.000
 

o Lítio-íon sofre do esforço quando exposto ao calor, faz assim o mantimento de uma pilha em uma alta tensão da carga. Uma moradia da bateria acima de 30°C (86°F) são considerados temperatura elevado e para a maioria de Li-íon uma tensão acima de 4.10V/cell é julgada como a alta tensão. Expor a bateria à alta temperatura e residir em uma estado--carga completa por um tempo prolongado podem ser mais fatigantes do que o ciclismo. A tabela 3 demonstra a perda da capacidade em função da temperatura e do SoC.

Temperatura carga de 40% carga de 100% Tabela 3: Capacidade recuperável calculada ao armazenar o Li-íon por um ano em várias temperaturas. A temperatura elevado acelera a perda permanente da capacidade. Não todos os sistemas do Li-íon comportam-se o mesmos.
0°C 98% (após 1 ano) 94% (após 1 ano)
25°C 96% (após 1 ano) 80% (após 1 ano)
40°C 85% (após 1 ano) 65% (após 1 ano)
60°C 75% (após 1 ano) 60%
(após 3 meses)

A maioria de Li-íons carregam a 4.20V/cell, e cada redução na tensão de carga máxima de 0.10V/cell é dita dobrar a vida de ciclo. Por exemplo, uma pilha do lítio-íon carregada a 4.20V/cell entrega tipicamente 300-500 ciclos. Se carregado somente a 4.10V/cell, a vida pode ser prolongada a 600-1,000 ciclos; 4.0V/cell deve entregar 1,200-2,000 e 3.90V/cell deve fornecer 2,400-4,000 ciclos.

No lado negativo, uma tensão de carga máxima mais baixa reduz a capacidade que a bateria armazena. Como uma diretriz simples, cada tensão responsável da redução 70mV abaixa a capacidade total por 10 por cento. Aplicar a tensão de carga máxima em uma carga subsequente restaurará a capacidade total.

Em termos da longevidade, a tensão de carga ótima é 3.92V/cell. Os peritos da bateria acreditam que este ponto inicial elimina todos os esforços tensão-relacionados; ir mais baixo não pode ganhar uns benefícios mais adicionais mas induzir outros sintomas. A tabela 4 resume a capacidade em função dos níveis da carga. (Todos os valores são calculados; As pilhas da energia com pontos iniciais mais altos da tensão podem afastar-se.)

Carga em nível (V/cell) Ciclos da descarga Energia armazenada disponível

Tabela 4: Descarregue ciclos e capacidade em função do limite da tensão de carga. Cada gota 0.10V abaixo de 4.20V/cell dobra o ciclo mas posses menos capacidade. Levantar a tensão acima de 4.20V/cell encurtaria a vida. As leituras refletem o Li-íon regular que carrega a 4.20V/cell.

Diretriz: Cada tensão responsável da gota 70mV abaixa a capacidade útil por aproximadamente 10%.

Nota: O carregamento parcial nega o benefício do Li-íon em termos da energia específica alta.

[4,30] [150-250] [110-115%]
4,25 200-350 105-110%
4,20 300-500 100%
4,15 400-700 90-95%
4,10 600-1,000 85-90%
4,05 850-1,500 80-85%
4,00 1,200-2,000 70-75%
3,90 2,400-4,000 60-65%
3,80 Veja a nota 35-40%
3,70 Veja a nota 30% e menos


Experiência: A Universidade Tecnológica de Chalmers, Suécia, relata aquela que usa um nível da carga reduzida de aumentos de 50% SOC a expectativa da vida da bateria do Li-íon do veículo por 44-130%.

A maioria de carregadores para telefones celulares, portáteis, tabuletas e câmaras digitais carregam o Li-íon a 4.20V/cell. Isto permite a capacidade máxima, porque o consumidor não quer nada tempo de execução menos do que ótimo. A indústria, por outro lado, é referida mais sobre a longevidade e pode escolher pontos iniciais de uma mais baixa tensão. Os satélites e os veículos elétricos são tais exemplos.

Por razões de segurança, muitos lítio-íons não podem exceder 4.20V/cell. (Alguns NMC são a exceção.) Quando uma tensão mais alta impulsionar a capacidade, exceder a tensão encurta a vida útil e compromete a segurança. Figura 5 demonstra a contagem de ciclo em função da tensão de carga. Em 4.35V, a contagem de ciclo de um Li-íon regular é cortada ao meio.

Além de selecionar os pontos iniciais melhor-seridos da tensão para uma aplicação dada, um Li-íon regular não deve permanecer no teto de alta tensão de 4.20V/cell por um tempo prolongado. O carregador do Li-íon desliga a corrente de carga e a tensão da bateria reverte a um nível mais natural. Isto é como o relaxamento dos músculos após um exercício árduo.

Figura 6 ilustra a perda refletindo dinâmica da capacidade de (DST) dos testes de esforço ao dar um ciclo o Li-íon em várias larguras de banda da carga e da descarga. A perda da capacidade a maior ocorre ao descarregar um Li-íon inteiramente carregado a 25 por cento SoC (preto); a perda seria mais alta se descarregada inteiramente. Dar um ciclo entre 85 e 25 por cento (verde) fornece uma vida útil mais longa do que carregando a 100 por cento e descarregando-se a 50 por cento (obscuridade - azul). A perda a menor da capacidade é alcançada carregando o Li-íon a 75 por cento e descarregando a 65 por cento. Isto, contudo, não utiliza inteiramente a bateria. As tensões e a exposição altas à temperatura elevado são ditas degradar mais rapidamente a bateria do que o ciclismo sob a circunstância normal.

 

Cortesia: ResearchGate – modelagem da degradação da bateria do Lítio-íon para a avaliação de vida da pilha.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment

As discrepâncias existem entre a tabela 2 e a figura 6 na contagem de ciclo. Nenhuma explicação clara está disponível a não ser diferenças de suposição na qualidade da bateria e testa métodos. As variações entre o consumidor barato e categorias industriais duráveis podem igualmente jogar um papel. A retenção da capacidade diminuirá mais rapidamente em temperaturas elevados do que em 20ºC.


Somente um ciclo completo fornece a energia especificada de uma bateria. Com uma pilha moderna da energia, este é 250Wh/kg, mas a vida de ciclo será comprometida. Tudo que é linear, a meados de-escala deprolongação de 85-25 por cento reduz a energia a 60 por cento e este iguala a moderar a densidade de energia específica de 250Wh/kg a 150Wh/kg. Os telefones celulares são os bens de consumo que utilizam a energia completa de uma bateria. Os dispositivos industriais, tais como o EV, limitam tipicamente a carga a 85% e descarregam-se a 25% para prolongar a vida da bateria.

Figura 7 extrapola os dados de figura 6 para expandir a vida de ciclo prevista do Li-íon usando um programa da extrapolação que suponha a deterioração linear da capacidade da bateria com ciclismo progressivo. Se isto era verdadeiro, a seguir uma bateria do Li-íon dada um ciclo dentro de 75%-25% SoC (azuis) desvanecer-se-ia à capacidade de 74% após 14.000 ciclos. Se esta bateria foi carregada a 85% com a mesma profundidade--descarga (verde), a capacidade deixaria cair a 64% em 14.000 ciclos, e com uma carga de 100% com o mesmo DoD (preto), a capacidade deixaria cair a 48%. Para razões desconhecidas, a expectativa da real-vida tende a ser mais baixa do que na modelagem simulada.

 

 


as baterias do Li-íon são carregadas a três níveis diferentes do SoC e à vida de ciclo modelada. Limitar a escala da carga prolonga a energia da vida da bateria mas das diminuições entregada. Isto reflete no peso aumentado e em um preço inicial mais alto.
Com permissão usar-se. Interpolação/extrapolação por OriginLab.

Os fabricantes da bateria especificam frequentemente a vida de ciclo de uma bateria com uns 80 DoD. Isto é prático porque as baterias devem reter alguma reserva antes da carga sob o uso normal. (Veja BU-501: Princípios sobre o descarregamento,“o queconstituiumciclodadescarga") queacontagemdecicloemDST(testedeesforçodinâmico)diferecomtipodabateria, otempodacarga, oprotocolodecarregamentoeatemperaturadefuncionamento. Ostestesdelaboratórioobtêmfrequentementeosnúmerosquenão sãoatingíveisnocampo.

Que pode o usuário fazer?

As circunstâncias ambientais, não dando um ciclo apenas, governam a longevidade de baterias do lítio-íon. A situação a mais má está mantendo uma bateria inteiramente carregada em temperaturas elevados. Os blocos da bateria não morrem de repente, mas o tempo de execução encurta gradualmente enquanto a capacidade se desvanece.

Umas mais baixas tensões de carga prolongam a vida da bateria e os veículos elétricos e os satélites aproveitam-se deste. As disposições similares poderiam igualmente ser feitas para dispositivos do consumidor, mas estes são oferecidos raramente; a obsolência de planeamento toma desta.

Uma bateria do portátil podia ser prolongada abaixando a tensão de carga quando conectada à grade da C.A. Para fazer esta característica fácil de usar, um dispositivo deve caracterizar um modo da “longa vida” que mantenha a bateria em 4.05V/cell e ofereça um SoC de aproximadamente 80 por cento. De uma hora antes de viajar, os pedidos de usuário o modo da “capacidade total” trazer a carga a 4.20V/cell.

A pergunta é feita, “devo eu desligo meu portátil da rede elétrica quando não no uso?” Em circunstâncias normais isto não deve ser necessário porque carregar para quando a bateria do Li-íon está completa. Uma carga da cobertura for somente aplicada quando as quedas de tensão da bateria a um determinado nível. A maioria de usuários não removem a alimentação CA, e esta prática é segura.

Os portáteis modernos correm o refrigerador do que uns modelos mais velhos e os fogos relatados são menos. Mantenha sempre o fluxo de ar desobstruído ao correr dispositivos bondes com refrigeração a ar em uma cama ou em um descanso. Um portátil fresco estende a vida da bateria e protege os componentes internos. Pilhas da energia, que a maioria de produtos de consumo têm, devem ser carregados em 1C ou menos. Evite os carregadores ultrarrápidos assim chamados que reivindicam carregar inteiramente o Li-íon menos em do que de uma hora.