Comment prolonger les batteries basées sur lithium

December 11, 2018

Découvrez ce qui fait vieillir le Li-ion et ce qui l'utilisateur de batterie peut faire pour prolonger sa vie.

La recherche de batterie se concentre sur des chimies de lithium tellement qu'on pourrait imaginer que l'avenir de batterie se situe seulement en lithium. Il y a des bonnes raisons d'être tout optimiste que le lithium-ion est, de plusieurs manières, supérieur à d'autres chimies. Les applications se développent et entament dans les marchés qui précédemment ont été solidement tenus par d'acide de plomb, tel que le remplaçant et la lissage de la charge. Beaucoup de satellites sont également actionnés par le Li-ion.

le Lithium-ion n'a pas encore entièrement mûri et s'améliore toujours. Des avancements notables ont été faits dans la longévité et la sécurité tandis que la capacité augmente incrémentalement. Aujourd'hui, le Li-ion répond aux attentes de la plupart des dispositifs mais de demandes du consommateur de développement ultérieur du besoin d'EV avant que cette source d'énergie devienne la norme admise.

Que fait vieillir le Lithium-ion ?

La batterie lithium-ion travaille au mouvement d'ion entre les électrodes positives et négatives. Dans la théorie un tel mécanisme devrait fonctionner diminution de vieillissement pour toujours, mais de recyclage, élevée la température et les performances au fil du temps. Les fabricants adoptent une approche conservatrice et spécifient la vie du Li-ion dans la plupart des produits de consommation en tant qu'étant entre 300 et 500 cycles de décharge/charge.

La vie de batterie de évaluation sur compter des cycles n'est pas concluante parce qu'une décharge peut varier en profondeur et il n'y a aucune norme bien définie de ce qui constitue un cycle. Au lieu du compte de cycle, quelques fabricants de dispositif proposent le remplacement de batterie sur un tampon-date, mais cette méthode ne prend pas en considération l'utilisation. Une batterie peut échouer dans le temps réparti dû à l'usage intensif ou aux états de température défavorables ; cependant, la plupart des paquets durent considérablement plus longtemps que ce que le timbre indique.

L'interprétation d'une batterie est mesurée en capacité, un indicateur di testa de santé. La résistance interne et la décharge spontanée jouent également des rôles, mais ce sont moins significatives en prévoyant la fin de la vie de batterie avec le Li-ion moderne.

Le schéma 1 montre la baisse de capacité de 11 batteries de Li-polymère qui ont été faites un cycle à un laboratoire de Cadex. Les cellules de la poche 1,500mAh pour des téléphones portables ont été chargées la première fois à un courant de 1,500mA (1C) à 4.20V/cell et ensuite permises de saturer à 0.05C (75mA) en tant qu'élément de la pleine saturation de charge. Les batteries ont été alors déchargées à 1,500mA à 3.0V/cell, et le cycle a été répété. La perte prévue de capacité de batteries de Li-ion était uniforme au-dessus des 250 cycles fournis et les batteries ont exécuté comme prévu.

Le nouvel Li-ion onze ont été examinés sur un analyseur de batterie de Cadex C7400. Tous les paquets ont commencé à une capacité de 88-94% et ont diminué à 73-84% après 250 pleins cycles de décharge. Les paquets de la poche 1500mAh sont employés dans des téléphones portables.


Les tables suivantes indiquent des pertes de capacité connexes par effort sur le lithium-ion basé sur cobalt. Les tensions du phosphate de fer de lithium et du titanate de lithium sont inférieures et ne s'appliquent pas à la tension les références données.
Bien qu'une batterie devrait fournir 100 pour cent de capacité pendant la première année de service, elle est commune pour voir plus bas des capacités que spécifiques, et la durée de conservation peut contribuer à cette perte. En outre, les fabricants tendent à surestimer leurs batteries, sachant que très peu d'utilisateurs feront des contrôles-surprises et se plaindront si bas. Pas devant assortir des cellules dans les téléphones portables et des comprimés, comme est exigé dans des paquets de multi-cellule, ouvre les vannes pour une acceptation beaucoup plus large de performances. Les cellules avec des capacités inférieures peuvent glisser par des fissures sans savoir du consommateur.

Semblable à un dispositif mécanique qui porte plus rapidement avec l'usage intensif, la profondeur de la décharge (DoD) détermine le compte de cycle de la batterie. Plus la décharge (bas DoD) est petite, plus la batterie dure longtemps. Si à tout possible, évitez les pleines décharges et chargez la batterie plus souvent entre les utilisations. La décharge partielle sur le Li-ion est très bien. Il n'y a aucune mémoire et la batterie n'a pas besoin de pleins cycles périodiques de décharge pour prolonger la vie. L'exception peut être un calibrage périodique de la jauge de carburant sur une batterie intelligente ou un dispositif intelligent.

 

 

 

Note :

Les tableaux 2, 3 et 4 indiquent des tendances générales de vieillissement des batteries basées sur cobalt communes de Li-ion sur la profondeur-de-décharge, la température et les niveaux de charge, le tableau 6 regarde plus plus loin la perte de capacité en fonctionnant dans des largeurs de bande donné et de décharge. Les tables n'adressent pas le remplissage ultra-rapide et les décharges élevées de charge qui raccourciront la vie de batterie. Toute la batterie ne se comporte pas la même chose.

Les évaluations du tableau 2 le nombre de Li-ion de cycles de décharge/charge peuvent livrer à de divers niveaux de DoD avant les baisses de capacité de batterie à 70 pour cent. Le DoD constitue une pleine charge suivie d'une décharge au niveau indiqué de (SoC) d'état-de-charge dans la table.

Profondeur de décharge Cycles de décharge
(NMC/LiPO4)
Tableau 2 : La vie de cycle en fonction de
la profondeur de la décharge partielle de discharge.* A réduit l'effort et prolonge la vie de batterie, ainsi fait une charge partielle. La température élevée et les courants élevés affectent également la vie de cycle.

Note : DoD 100% est un plein cycle ; 10% est très bref. Le recyclage dans la mi-état-de-charge aurait la meilleure longévité.
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
 

le Lithium-ion souffre de l'effort une fois exposé à la chaleur, fait ainsi garder une cellule à une tension de charge élevée. Un logement de batterie au-dessus de 30°C (86°F) est considéré la température élevée et pour la plupart de Li-ion une tension au-dessus de 4.10V/cell est considérée comme haute tension. L'exposition de la batterie à la haute température et le demeure dans une pleine état-de-charge pendant un temps prolongé peuvent être plus stressants que faisant un cycle. Le tableau 3 démontre la perte de capacité en fonction de la température et du SoC.

La température charge de 40% charge de 100% Tableau 3 : Capacité récupérable prévue en stockant le Li-ion pendant une année aux diverses températures. La température élevée accélère la perte permanente de capacité. Non tous les systèmes de Li-ion se comportent la même chose.
0°C 98% (après 1 an) 94% (après 1 an)
25°C 96% (après 1 an) 80% (après 1 an)
40°C 85% (après 1 an) 65% (après 1 an)
60°C 75% (après 1 an) 60%
(après 3 mois)

La plupart des Li-ions chargent à 4.20V/cell, et on dit que chaque réduction de tension de charge maximale de 0.10V/cell double la vie de cycle. Par exemple, une cellule de lithium-ion chargée à 4.20V/cell fournit typiquement 300-500 cycles. Si chargé seulement à 4.10V/cell, la vie peut être prolongée à 600-1,000 cycles ; 4.0V/cell devrait livrer 1,200-2,000 et 3.90V/cell devrait fournir 2,400-4,000 cycles.

Du côté négatif, une tension de charge maximale inférieure réduit la capacité que la batterie stocke. Comme directive simple, chaque tension responsable de la réduction 70mV abaisse la capacité globale par 10 pour cent. L'application de la tension de charge maximale sur une charge suivante reconstituera la capacité totale.

En termes de longévité, la tension de charge optimale est 3.92V/cell. Les experts en matière de batterie croient que ce seuil élimine tous les efforts liés à la tension ; passer à 0 peut gagner d'autres avantages mais ne pas induire d'autres symptômes. Le tableau 4 récapitule la capacité en fonction des niveaux de charge. (Toutes les valeurs sont estimées ; Les cellules d'énergie avec des seuils plus élevés de tension peuvent dévier.)

Charge de niveau (V/cell) Cycles de décharge Énergie stockée disponible

Tableau 4 : Déchargez les cycles et la capacité en fonction de la limite de tension de charge. Chaque baisse 0.10V au-dessous de 4.20V/cell double le cycle mais des prises moins de capacité. Le relèvement de la tension au-dessus de 4.20V/cell raccourcirait la vie. Les lectures reflètent le Li-ion régulier chargeant à 4.20V/cell.

Directive : Chaque tension responsable de la baisse 70mV abaisse la capacité utilisable d'environ 10%.

Note : Le remplissage partiel nie l'avantage du Li-ion en termes d'énergie spécifique élevée.

[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 Voir la note 35-40%
3,70 Voir la note 30% et moins


Expérience : L'université de technologie de Chalmers, Suède, signale que l'utilisation d'un niveau de charge réduite de 50% SOC augmente l'expectative de vie de la batterie de Li-ion de véhicule de 44-130%.

La plupart des chargeurs pour des téléphones portables, des ordinateurs portables, des comprimés et des appareils photo numériques chargent le Li-ion à 4.20V/cell. Ceci laisse la capacité maximale, parce que le consommateur ne veut rien temps d'exécution moins qu'optimal. L'industrie, d'autre part, davantage est préoccupée par la longévité et peut choisir les seuils à tension inférieure. Les satellites et les véhicules électriques sont de tels exemples.

Pour des raisons de sécurité, beaucoup de lithium-ions ne peuvent pas dépasser 4.20V/cell. (Quelques NMC sont l'exception.) Tandis qu'une tension plus élevée amplifie la capacité, le dépassement de la tension raccourcit la durée de vie et compromet la sécurité. Le schéma 5 démontre le compte de cycle en fonction de la tension de charge. À 4.35V, le compte de cycle d'un Li-ion régulier est coupé dans la moitié.

Sans compter que choisir les seuils plus adaptés de tension pour une application donnée, un Li-ion régulier ne devrait pas rester au plafond à haute tension de 4.20V/cell pendant un temps prolongé. Le chargeur de Li-ion arrête le courant de charge et la tension de batterie retourne à un niveau plus naturel. C'est comme détendre les muscles après un exercice laborieux.

Le schéma 6 montre la perte se reflétante de capacité de (DST) de tests de tension dynamiques en faisant un cycle le Li-ion à de diverses largeurs de bande de charge et de décharge. La perte de la plus grande capacité se produit en déchargeant un Li-ion entièrement chargé à 25 pour cent SoC (noir) ; la perte serait plus haute si entièrement déchargée. Le recyclage entre 85 et 25 pour cent (vert) fournit une plus longue durée de vie que chargeant à 100 pour cent et déchargeant à 50 pour cent (de bleu-foncé). La plus petite perte de capacité est atteinte en chargeant le Li-ion à 75 pour cent et la décharge à 65 pour cent. Ceci, cependant, n'utilise pas entièrement la batterie. On dit que des tensions et l'exposition élevées à la température élevée dégradent la batterie plus vite que faisant un cycle dans la condition normale.

 

Courtoisie : ResearchGate – modélisation de la dégradation de batterie lithium-ion pour l'évaluation de vie de cellules.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment

Les anomalies existent entre le tableau 2 et le schéma 6 sur le compte de cycle. Aucune explication claire n'est disponible autre que des différences supposantes de la qualité de batterie et examine des méthodes. Les désaccords entre le consommateur bon marché et les catégories industrielles durables peuvent également jouer un rôle. La conservation de capacité diminuera plus rapidement aux températures élevées qu'à 20ºC.


Seulement un plein cycle fournit l'énergie spécifique d'une batterie. Avec une cellule moderne d'énergie, c'est 250Wh/kg, mais la vie de cycle sera compromise. Tout qui est linéaire, la mi-portée de vie-prolongation de 85-25 pour cent ramène l'énergie à 60 pour cent et ceci égalise à modérer la densité d'énergie spécifique de 250Wh/kg à 150Wh/kg. Les téléphones portables sont des biens de consommation qui utilisent la pleine énergie d'une batterie. Les dispositifs industriels, tels que l'EV, limitent typiquement la charge à 85% et la déchargent à 25% pour prolonger la vie de batterie.

Le schéma 7 extrapole les données du schéma 6 pour augmenter la vie de cycle prévue du Li-ion à l'aide d'un programme d'extrapolation qui assume le délabrement linéaire de la capacité de batterie avec le recyclage progressif. Si c'étaient vrai, alors une batterie de Li-ion faite un cycle à moins de 75%-25% SoC (bleus) se fanerait à la capacité de 74% après 14 000 cycles. Si cette batterie étaient chargées à 85% de la même profondeur-de-décharge (vert), la capacité chuterait à 64% à 14 000 cycles, et avec une charge de 100% avec le même DoD (noir), la capacité chuterait à 48%. Pour des raisons inconnues, la vraie expectative tend à être inférieure que dans la modélisation simulée.

 

 


des batteries de Li-ion sont chargées à trois niveaux différents de SoC et à la vie de cycle modelée. La limitation de la gamme de charge prolonge la vie de batterie mais l'énergie de diminutions fournie. Ceci se reflète dans le poids accru et le coût initial plus élevé.
Avec l'autorisation d'employer. Interpolation/extrapolation par OriginLab.

Les fabricants de batterie spécifient souvent la vie de cycle d'une batterie avec des 80 DoD. C'est pratique parce que les batteries devraient maintenir une certaine réservation avant charge sous l'utilisation normale. (Voir le BU-501 : Fondements au sujet de la décharge,« ce quiconstitueuncyclededécharge") quelecomptedecyclesurDST(test de tensiondynamique)diffèreavecletypedebatterie, letempsdecharge, leprotocoledechargementetlatempérature de fonctionnement. Lesessais en laboratoireobtiennentsouventlesnombresquine sont paspossiblesdansledomaine.

Que l'utilisateur peut-il faire ?

Les conditions environnementales, seul ne faisant pas un cycle, régissent la longévité des batteries lithium-ion. La plus mauvaise situation garde une batterie entièrement chargée aux températures élevées. Les paquets de batterie ne meurent pas soudainement, mais le temps d'exécution raccourcit graduellement pendant que la capacité se fane.

Les tensions de charge inférieures prolongent la vie de batterie et les véhicules électriques et les satellites tirent profit de ceci. Des dispositions semblables pourraient également être prises pour des dispositifs du consommateur, mais ceux-ci sont rarement offerts ; l'obsolescence prévue prend soin de ceci.

Une batterie d'ordinateur portable a pu être prolongée en abaissant la tension de charge une fois reliée à la grille à C.A. Pour rendre cette caractéristique conviviale, un dispositif devrait comporter un mode de « longue durée » qui garde la batterie à 4.05V/cell et offre un SoC d'environ 80 pour cent. Une heure avant le déplacement, les demandes d'utilisateur le mode de « capacité totale » d'apporter la charge à 4.20V/cell.

La question est posée, « est-ce que je devrais démonte mon ordinateur portable de la grille d'alimentation si non utilisable ? » Dans des circonstances normales ceci ne devrait pas être nécessaire parce que le remplissage s'arrête quand la batterie de Li-ion est pleine. Une charge d'écrimage est seulement appliquée quand les chutes de tension de batterie à un certain niveau. La plupart des utilisateurs ne coupent pas le courant alternatif, Et cette pratique est sûre.

Les ordinateurs portables modernes courent le refroidisseur que des modèles plus anciens et des feux rapportés sont moins. Maintenez toujours le flux d'air dégagé en courant les dispositifs électriques avec le refroidissement par l'air sur un lit ou un oreiller. Un ordinateur portable frais prolonge la vie de batterie et sauvegarde les composants internes. Cellules d'énergie, que la plupart des produits de consommation ont, devraient être chargées à 1C ou moins. Évitez les soi-disant chargeurs ultra-rapides qui prétendent charger entièrement le Li-ion dans moins d'une heure.