Wie kann die Lebensdauer eines Lithium-Ionen-Akkus verlängert werden?

Lithium-Ionen-Batterien wandern Ionen zwischen positiven und negativen Elektroden. Theoretisch können Lithium-Ionen-Batterien unter diesem Mechanismus jederzeit arbeiten. Mit der Zeit wird jedoch die Batterieleistung aufgrund des Temperaturanstiegs und der Alterung der Batterie aufgrund des Lade- und Entladezyklus verschlechtert. Die Hersteller haben konservative Schätzungen angenommen, dass die meisten kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien eine Lebensdauer zwischen 300 und 500 Zyklen haben.

Es ist jedoch nicht praktikabel, die Lebensdauer einer Batterie anhand der Anzahl der Zyklen zu bewerten, da es während der Entladung zu tiefen Entladungen kommen kann und es keinen klaren Standard gibt, um das Konzept der Anzahl der Zyklen zu charakterisieren. Einige Gerätehersteller zeichnen sich nicht nur durch die Anzahl der Zyklen aus, sondern empfehlen auch die Verwendung eines Datumsstempels, um anzugeben, wann die Batterie ausgetauscht werden muss. Diese Methode ignoriert jedoch die Umgebungsbedingungen zum Zeitpunkt der Verwendung und ist auch unzuverlässig. Eine Batterie kann während der Lebensdauer des Produkts aufgrund von Überlastung oder Temperaturbedingungen außer Betrieb genommen werden. Die meisten Akkus haben jedoch eine Lebensdauer, die die angegebene Zeit überschreitet.

Die Batterieleistung ist durch die Batteriekapazität gekennzeichnet, die auch ein wichtiger Indikator für die Batteriesicherheit ist. Der Innenwiderstand der Batterie und die Selbstentladung können die Batteriekapazität beeinträchtigen. Dieser Effekt ist jedoch vernachlässigbar, um die Lebensdauer einer neuen Lithium-Ionen-Batterie zu bestimmen.

Abbildung 1 zeigt den Kapazitätsabfall von 11 lithium-polymer-batterien im Cadex-Laborzyklustest. Dieses Mobiltelefon verwendet einen 1500-mAh-Beutelakku, der zuerst bei 1 ° C auf 4,2 V und dann bei 0,05 ° C vollständig aufgeladen wird. Anschließend wurde die Batterie mit einer Geschwindigkeit von 1 ° C auf 3,0 V entladen und der Zyklus wiederholt. Der erwartete Kapazitätsabfall einer Lithium-Ionen-Batterie über einen Zyklus von mehr als 250 Zyklen stimmt mit dem gemessenen Kapazitätsabfall überein.

Abbildung 1: Nach dem Zyklus der Batteriekapazitätsdämpfung

Der Zyklustest von 11 neuen Lithium-Ionen-Batterien wurde mit dem Batterieanalysegerät Cadex C7400 durchgeführt. Die Kapazität aller Akkus für die erste Entladung betrug 88-94% der ursprünglichen Kapazität und wurde nach 250 Zyklen auf 73-84% gedämpft. Diese 1500-mAh-Akkus werden in Mobiltelefonen verwendet. (Daten von Cadex)

Obwohl der Akku im ersten Betriebsjahr 100% seiner Kapazität freisetzen sollte, ist er normalerweise niedriger als die angegebene Kapazität, und der nicht verwendete Akku führt zu einer Kapazitätsverschlechterung. Und Hersteller neigen dazu, ihre Batteriekapazität zu überkalibrieren, weil sie wissen, dass sich nur sehr wenige Verbraucher beschweren werden. Darüber hinaus müssen die meisten Mobiltelefone oder Tablets nur einen einzigen Akku verwenden, anstatt mehrere Akkus zu benötigen, was auch einen größeren akzeptablen Bereich für die Akkuleistung bietet. Einige der schlechteren Akkus werden daher ignoriert.

Wie bei mechanischen Geräten, die zur Überlastung verwendet werden, kann auch bei Tiefentladung die Anzahl der Batteriezyklen verringert werden. Daher ist eine Verkürzung der Entladezeit vorteilhaft, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Außerdem sollten wir vermeiden, den Akku so weit wie möglich vollständig zu entladen oder zu laden. Eine unvollständige Entladung ist für Lithium-Ionen-Batterien von Vorteil. Lithium-Ionen-Batterien haben keinen Memory-Effekt und erfordern keine regelmäßigen vollständigen Entladezyklen, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Es gibt jedoch Ausnahmen wie Kraftstoffanzeigen oder intelligente Geräte, die regelmäßig kalibriert werden müssen.

Tabelle 2 vergleicht die Zyklen, die Lithium-Ionen-Batterien zum Laden und Entladen benötigen, mit 70% der Kapazitätsreduzierung. Andere Variablen wie Ladespannung, Temperatur und Laststrom sind die Standardeinstellungen.

Wärme oder hohe Ladespannung kann auch eine höhere Belastung der Lithium - Ionen - Batterie machen, 30 ℃ (86 ° F) für die meisten der Lithium - Ionen - Batterie hat eine höhere Temperatur, mehr als 4,10 V / Zellenspannung von Hochspannung. Wird der Akku lange Zeit voll aufgeladen sein und hohen Temperaturen ausgesetzt sein, da lithium-ionen-akku-Zyklen den Druck erhöhen. Tabelle 3 zeigt den Kapazitätsverlust als Funktion der Temperatur.

Der größte Teil des auf 4,20 V wiederaufladbaren Lithiumions wird beim Laden der Abschaltspannung von 0,1 V der Zyklus der Batterielebensdauer verdoppelt. Lithium-Ionen-Batterien, zum Beispiel bis 4,2 V, können normalerweise 300-500-mal wiederholt werden. Wenn die Ladeabschaltspannung 4,10 V beträgt, kann die Lebensdauer auf 600-1000 - Zyklus verlängert werden. Auf 4,00 V eingestelltes Ladesystem kann 1200-2000 - Zyklus erreichen; Für 3,90 V kann 2400-4000 - Zyklus erreicht werden.

Eine niedrige Ladespannung verringert jedoch tendenziell die Kapazität der Batterie. In der Regel wird die Lade-Abschaltspannung für jeweils 70 mV um 10% reduziert, die Gesamtkapazität reduziert den Akku und steigt auf die Abschaltspannung an, wodurch 100% der Kapazität erreicht werden.

Für die Lebensdauer beträgt die optimale Ladespannung für einen Li-Ion-Akku 3,92 V. Batterieexperten glauben, dass dieser Schwellenwert alle spannungsbedingten nachteiligen Auswirkungen beseitigt und unter diesem Wert andere nachteilige Auswirkungen auf die Batterie haben kann. Tabelle 4 fasst die Batteriekapazitätsbedingungen bei verschiedenen Ladezuständen zusammen. Alle Werte sind Schätzungen.

Mobiltelefone, Laptops, Tablets und Digitalkameras verwenden Lithium-Ionen-Ladegeräte. Die Ladespannung beträgt 4,2 V. Dies bietet auch die größte Kapazität, denn die längste Zeit ist schließlich die erste Wahl für Verbraucher. Andererseits hat für die Fabrik ihrerseits die Batterielebensdauer Priorität und tendiert daher dazu, eine Niederspannungsschwelle zu wählen. Beispielsweise ist bei Satelliten und Elektroautos die Batterielebensdauer höher als die Bedeutung der Kapazität.

Aus Sicherheitsgründen dürfen viele Ladespannungen von Lithium-Ionen-Batterien 4,2 V nicht überschreiten (Ausnahme ist die ternäre Materialbatterie mit hoher Energiedichte, die eine Ladespannung von 4,3 V aufweist). Obwohl höhere Spannungen die Kapazität der Batterie erheblich erhöhen, verkürzen hohe Spannungen die Lebensdauer und verringern die Sicherheit. Abbildung 5 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl der Zyklen und der Ladespannung, wobei die Anzahl der Zyklen bei 4,35 V um die Hälfte reduziert wird.

Abbildung 5 zeigt die Beziehung zwischen der Anzahl der Zyklen und der Ladespannung.

Durch Erhöhen der Ladespannung wird die Batteriekapazität erhöht, aber auch die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie verringert [von Choi et al. (2002)]

Zusätzlich zur Auswahl der optimalen Spannungsschwelle für einen bestimmten Zustand sollten Lithium-Ionen-Batterien normalerweise nicht bei höheren Spannungsgrenzen betrieben werden, um eine längere Lebensdauer zu erreichen. So wie sich die Muskeln nach anstrengenden Übungen entspannen müssen, muss die Batterie nach dem vollständigen Laden der Batterie entfernt werden, um die Spannung wieder auf ein natürliches Niveau zu bringen. Obwohl das laufende Ladegerät den Ladevorgang automatisch beendet, wenn der Akku vollständig aufgeladen ist, werden einige Ladegeräte weiter aufgeladen, wenn die Abschlussspannung auf einen bestimmten Wert abfällt.

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