Cómo Prolong Litio-basó las baterías

Descubra qué hace el Li-ion envejecer y qué puede hacer el usuario de la batería para prolongar su vida.

La investigación de la batería se está centrando en químicas del litio tanto que uno podría imaginarse que el futuro de la batería miente solamente en litio. Hay buenas razones para ser optimista como de ión de litio es, en gran medida, superior a otras químicas. Los usos están creciendo y están usurpando en los mercados que fueron llevados a cabo previamente sólidamente por de plomo, tal como recurso seguro y nivelamiento de la carga. Muchos satélites también son accionados por el Li-ion.

De ión de litio no se ha madurado todavía completamente y todavía está mejorando. Los adelantos notables se han hecho en longevidad y seguridad mientras que la capacidad está aumentando ampliado. Hoy, el Li-ion resuelve las expectativas de la mayoría de los dispositivos pero de usos del consumidor para el desarrollo posterior de la necesidad de EV antes de que esta fuente de energía se convierta en la norma aceptada.

¿Qué hace de ión de litio envejecer?

La batería de ión de litio funciona en el movimiento del ion entre los electrodos positivos y negativos. En teoría tal mecanismo debe trabajar para siempre, solamente ciclo, temperatura elevada y disminución de envejecimiento el funcionamiento en un cierto plazo. Los fabricantes toman un acercamiento conservador y especifican la vida del Li-ion en la mayoría de los productos de consumo como estando entre 300 y 500 ciclos de la descarga/de la carga.

La vida de batería de evaluación en la cuenta de ciclos no es concluyente porque una descarga puede variar profundizado y no hay estándares bien definidos de qué constituye un ciclo. En lugar de cuenta de ciclo, algunos fabricantes del dispositivo sugieren el reemplazo de la batería en un sello de fecha, pero este método no toma en cuenta uso. Una batería puede fallar dentro del tiempo asignado debido al uso pesado o a las condiciones de temperatura desfavorables; sin embargo, la mayoría de los paquetes duran considerablemente más de largo que lo que el sello indica.

El funcionamiento de una batería se mide en la capacidad, un indicador principal de la salud. La resistencia interna y la autodescarga también desempeñan papeles, pero éstas son menos significativas en predecir el final de la vida de batería con el Li-ion moderno.

El cuadro 1 ilustra el descenso de la capacidad de 11 baterías del Li-polímero que se han completado un ciclo en un laboratorio de Cadex. Las células de la bolsa 1,500mAh para los teléfonos móviles primero fueron cargadas en una corriente de 1,500mA (1C) a 4.20V/cell y en seguida permitidas saturar a 0.05C (75mA) como parte de la saturación completa de la carga. Las baterías entonces fueron descargadas en 1,500mA a 3.0V/cell, y el ciclo fue repetido. La pérdida prevista de la capacidad de batería li-ion era uniforme sobre los 250 ciclos entregados y las baterías se realizaron como se esperaba.

El nuevo Li-ion once fue probado en un analizador de la batería de Cadex C7400. Todos los paquetes comenzaron en una capacidad de 88-94% y disminuyeron a 73-84% después de 250 ciclos completos de la descarga. Los paquetes de la bolsa 1500mAh se utilizan en teléfonos móviles.

Las tablas siguientes indican pérdidas relacionadas tensión de la capacidad en de ión de litio cobalto-basado. Los voltajes del fosfato del hierro del litio y del titanato del litio son más bajos y no aplican al voltaje las referencias dadas.
Aunque una batería deba entregar el 100 por ciento de capacidad durante el primer año de servicio, es común ver más bajo capacidades que especificadas, y la vida útil puede contribuir a esta pérdida. Además, los fabricantes tienden a sobrestimar sus baterías, sabiendo que muy pocos usuarios harán inspecciones al azar y se quejarán de si bajo. No teniendo que hacer juego células en teléfonos móviles y tabletas, como se requiere en paquetes de la multi-célula, abre las compuertas para una aceptación mucho más amplia del funcionamiento. Las células con capacidades más bajas pueden deslizarse a través de las grietas sin saber del consumidor.

Similar a un dispositivo mecánico que se use más rápidamente con uso pesado, la profundidad de la descarga (DoD) determina la cuenta de ciclo de la batería. Cuanto más pequeña es la descarga (DoD bajo), más de largo la batería dura. Si en todo posible, evite las descargas completas y cargue la batería más a menudo entre las aplicaciones. La descarga parcial en el Li-ion está muy bien. No hay memoria y la batería no necesita ciclos completos periódicos de la descarga prolongar vida. La excepción puede ser una calibración periódica del indicador de la gasolina en una batería elegante o un dispositivo inteligente.

Las estimaciones del cuadro 2 el número de Li-ion de los ciclos de la descarga/de la carga pueden entregar en los diversos niveles del DoD antes de los descensos de la capacidad de la batería al 70 por ciento. El DoD constituye una carga completa seguida por una descarga al nivel indicado de (SoC) de la estado-de-carga en la tabla.

De ión de litio sufre de la tensión cuando está expuesto al calor, hace tan la custodia de una célula en un alto voltaje de carga. Una vivienda de la batería sobre 30°C (86°F) se considera temperatura elevada y para la mayoría del Li-ion un voltaje sobre 4.10V/cell se juzga como alto voltaje. Exponer la batería a la temperatura alta y la estancia en una estado-de-carga completa por un tiempo extendido pueden ser más agotadores que completando un ciclo. El cuadro 3 demuestra pérdida de la capacidad en función de temperatura y del SoC.

La mayoría de los Li-iones cargan a 4.20V/cell, y cada reducción en el voltaje de carga máximo de 0.10V/cell se dice para doblar la vida de ciclo. Por ejemplo, una célula de ión de litio cargada a 4.20V/cell entrega típicamente 300-500 ciclos. Si está cargada solamente a 4.10V/cell, la vida se puede prolongar a 600-1,000 ciclos; 4.0V/cell debe entregar 1,200-2,000 y 3.90V/cell debe proporcionar 2,400-4,000 ciclos.

En el lado negativo, un voltaje de carga máximo más bajo reduce la capacidad que la batería almacena. Como pauta simple, cada voltaje responsable de la reducción 70mV baja la capacidad total por el 10 por ciento. La aplicación del voltaje de carga máximo en una carga subsiguiente restaurará la capacidad plena.

En términos de longevidad, el voltaje de carga óptimo es 3.92V/cell. Los expertos de la batería creen que este umbral elimina todas las tensiones voltaje-relacionadas; el pasar a BAJO puede ganar otras ventajas sino no inducir otros síntomas. El cuadro 4 resume la capacidad en función de niveles de la carga. (Se estiman todos los valores; Las células de la energía con umbrales más altos del voltaje pueden desviarse.)

Experimento: La Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, divulga que usar un nivel de la carga reducida del 50% SOC aumenta la expectativa del curso de la vida del batería li-ion del vehículo en 44-130%.

La mayoría de los cargadores para los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles, las tabletas y las cámaras digitales cargan el Li-ion a 4.20V/cell. Esto permite capacidad máxima, porque el consumidor no quiere nada tiempo de ejecución menos que óptimo. La industria, por otra parte, se refiere más sobre longevidad y puede elegir umbrales de tensión inferior. Los satélites y los vehículos eléctricos son tales ejemplos.

Por razones de seguridad, muchas iones de litio no pueden exceder 4.20V/cell. (Algunos NMC son la excepción.) Mientras que un voltaje más alto impulsa capacidad, exceder el voltaje acorta vida de servicio y compromete seguridad. El cuadro 5 demuestra cuenta de ciclo en función de voltaje de carga. En 4.35V, la cuenta de ciclo de un Li-ion regular se corta por la mitad.

Además de seleccionar los umbrales más adecuados del voltaje para un uso dado, un Li-ion regular no debe permanecer en el techo de alto voltaje de 4.20V/cell por un tiempo extendido. El cargador del Li-ion apaga la corriente de carga y el voltaje de la batería invierte a un nivel más natural. Esto es como la relajación de los músculos después de un ejercicio vigoroso.

El cuadro 6 ilustra pérdida reflectora dinámica de la capacidad de (DST) de las pruebas de tensión al completar un ciclo el Li-ion en los diversos anchos de banda de la carga y de la descarga. La pérdida de la capacidad más grande ocurre al descargar un Li-ion completamente cargado al 25 por ciento SoC (negro); la pérdida sería más alta si estuvo descargada completamente. El ciclo entre el 85 y 25 por ciento (verde) proporciona una vida de servicio más larga que cargando al 100 por ciento y descargando al 50 por ciento (de azul marino). La pérdida más pequeña de la capacidad es lograda cargando el Li-ion al 75 por ciento y descargándolo al 65 por ciento. Esto, sin embargo, no utiliza completamente la batería. Los altos voltajes y exposición a la temperatura elevada se dice para degradar la batería más aprisa que completando un ciclo bajo condición normal.

^{Cortesía: ResearchGate – modelado de la degradación de la batería de ión de litio para la evaluación de vida de la célula.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Las discrepancias existen entre el cuadro 2 y el cuadro 6 en cuenta de ciclo. No hay explicaciones claras disponibles con excepción de diferencias presuntuosas en calidad y métodos de prueba de la batería. Las variaciones entre el consumidor barato y los grados industriales durables pueden también desempeñar un papel. La retención de la capacidad disminuirá más rápidamente en las temperaturas elevadas que en 20ºC.

Solamente un ciclo completo proporciona la energía especificada de una batería. Con una célula moderna de la energía, éste es 250Wh/kg, pero la vida de ciclo será comprometida. Todo que es linear, el alcance medio vida-que prolonga del 85-25 por ciento reduce la energía al 60 por ciento y éste compara a moderar la densidad de energía específica de 250Wh/kg a 150Wh/kg. Los teléfonos móviles son los bienes de consumo que utilizan la energía completa de una batería. Los dispositivos industriales, tales como el EV, limitan típicamente la carga hasta el 85% y la descargan hasta el 25% para prolongar vida de batería.

El cuadro 7 extrapola los datos del cuadro 6 para ampliar la vida de ciclo prevista del Li-ion usando un programa de la extrapolación que asuma el decaimiento linear de la capacidad de la batería con el ciclo progresivo. Si esto fuera verdad, después un batería li-ion completado un ciclo dentro de 75%-25% SoC (azules) se descoloraría hasta la capacidad del 74% después de 14.000 ciclos. Si esta batería fuera encargada hasta el 85% de la misma profundidad-de-descarga (verde), la capacidad caería hasta el 64% en 14.000 ciclos, y con una carga del 100% con el mismo DoD (negro), la capacidad caería hasta el 48%. Por razones desconocidas, la expectativa de la vida real tiende a ser más baja que en el modelado simulado.

Los batería li-ion se cargan a tres diversos niveles del SoC y a la vida de ciclo modelada. La limitación de la gama de la carga prolonga vida de batería pero energía de las disminuciones entregada. Esto refleja en peso creciente y un coste inicial más alto.
^{Con el permiso para utilizar. Interpolación/extrapolación por OriginLab.}

^{Los fabricantes de la batería especifican a menudo la vida de ciclo de una batería con 80 DoD. Esto es práctico porque las baterías deben conservar una cierta reserva antes de carga bajo uso normal. (Véase BU-501: Fundamentos sobre la descarga,“quéconstituyeunciclode} la^{descarga") quelacuentadecicloenDST(pruebadetensióndinámica)diferenciaconeltipode} la^{batería, tiempode} la^{carga, protocolocargadoytemperaturadefuncionamiento. Lospruebasdelaboratorioconsiguena menudolosnúmerosqueno sonalcanzablesenelcampo.}

¿Qué puede el usuario hacer?

Las condiciones ambientales, no completando un ciclo solamente, gobiernan la longevidad de baterías de ión de litio. La situación peor está guardando una batería completamente cargada en las temperaturas elevadas. Las baterías no mueren repentinamente, pero el tiempo de ejecución se acorta gradualmente mientras que se descolora la capacidad.

Voltajes de carga más bajos prolongan vida de batería y los vehículos eléctricos y los satélites se aprovechan de esto. Las disposiciones similares se podrían también adoptar para los dispositivos del consumidor, pero éstos se ofrecen raramente; la obsolescencia prevista toma el cuidado de esto.

Una batería del ordenador portátil podía ser prolongada bajando el voltaje de carga cuando estaba conectada con la rejilla de la CA. Para hacer esta característica fácil de usar, un dispositivo debe ofrecer un modo de la “larga vida” que guarde la batería en 4.05V/cell y ofrezca un SoC del cerca de 80 por ciento. Una hora antes de viajar, las peticiones de usuario el modo de la “capacidad plena” de traer la carga a 4.20V/cell.

Se hace la pregunta, “debo desconecto mi ordenador portátil de la red eléctrica cuando es parado?” En circunstancias normales esto no debe ser necesario porque la carga para cuando el batería li-ion es lleno. Una carga del desmoche es solamente aplicada cuando las caídas de voltaje de la batería a cierto nivel. La mayoría de los usuarios no quitan la corriente ALTERNA, y esta práctica es segura.

Los ordenadores portátiles modernos corren el refrigerador que más viejos modelos y los fuegos divulgados son menos. Siempre mantenga la circulación de aire sin obstáculo al funcionar con los dispositivos eléctricos con refrigeración por aire en una cama o una almohada. Un ordenador portátil fresco amplía vida de batería y salvaguarda los componentes internos. Células de la energía, que la mayoría de los productos de consumo tienen, se deben para cargar en 1C o menos. Evite los supuestos cargadores ultrarrápidos que demandan cargar completamente el Li-ion sobre menos de una hora.