چگونه باتری های مبتنی بر لیتیوم را تقویت کنیم

کشف دلیل اینکه لیتیوم یون به چه سن و چه کاربر باتری می تواند طول عمر آن را افزایش دهد، کشف کنید.

تحقیقات باتری بسیار متمرکز بر چربی های لیتیوم است که می توان تصور کرد که آینده باتری تنها در لیتیوم قرار دارد. دلایل خوبی برای خوشحالی وجود دارد زیرا لیتیوم یون، از بسیاری جهات برتر از سایر مواد شیمیایی است. برنامه های کاربردی در حال رشد هستند و در بازارهایی که پیش از این به طور کامل توسط اسید سرب نگهداری شده اند، مثل حالت آماده به کار و بارگیری نگهداری می شوند. بسیاری از ماهواره ها نیز توسط لیتیوم یون طراحی شده اند.

لیتیم یون هنوز کامل نشده و هنوز هم بهبود می یابد. پیشرفت های قابل توجهی در طول عمر و ایمنی انجام شده است، در حالیکه ظرفیت آن افزایش می یابد. امروزه Li-ion انتظارات بیشتر دستگاههای مصرفی را برآورده می کند، اما برنامه های کاربردی برای EV نیاز به توسعه بیشتر دارند تا این منبع قدرت به عادت پذیرفته شود.

لیتیم یون به چه علت؟

باتری لیتیوم یون بر روی حرکت یون بین الکترودهای مثبت و منفی کار می کند. در تئوری چنین مکانیزمی برای همیشه کار می کند، اما دوچرخه سواری، درجه حرارت بالا و پیری عملکرد در طول زمان را کاهش می دهد. تولیدکنندگان یک رویکرد محافظه کارانه را دنبال می کنند و زندگی لیتیوم یون را در بیشتر محصولات مصرفی به عنوان بین 300 تا 500 چرخه تخلیه / شارژ مشخص می کنند.

ارزیابی عمر باتری در چرخه شمارش نتیجه قطعی نیست، زیرا تخلیه می تواند در عمق متفاوت باشد و هیچ استانداردی از آنچه که یک چرخه را مشخص می کند وجود ندارد. در عوض تعداد چرخه، برخی از تولیدکنندگان دستگاه با استفاده از جایگزینی باتری در تاریخ تمبر، پیشنهاد می کنند، اما این روش استفاده را به حساب نمی گیرد. با توجه به کاربرد سنگین یا شرایط نامطلوب دمای، باتری ممکن است در زمان اختصاص داده شده خراب شود با این حال، اکثر بسته ها به طور قابل توجهی طولانی تر از آنچه نشان نشان می دهد طول می کشد.

عملکرد باتری در ظرفیت، یک شاخص سلامت پیشرو است. مقاومت داخلی و خود تخلیه همچنین نقش ها را بازی می کنند، اما در پیش بینی عمر باتری با استفاده از لیتیوم یون جدید، این اهمیت کمتری دارد.

شکل 1 کاهش ظرفیت 11 باتری لیتیوم پلیمر را که در یک آزمایشگاه Cadex دوچرخه سواری نشان داده شده است نشان می دهد. سلولهای کیفی 1،500 میلی آمپر ساعت برای تلفن های همراه برای اولین بار در جریان 1.500mA (1C) تا 4.20V / cell قرار داده شد و سپس به عنوان بخشی از اشباع کامل شارژ مجاز به اشباع به 0.05C (75mA) بود. سپس باتری ها از 1500 تا 3.0 ولت / سلول تخلیه شدند و چرخه تکرار شد. از دست دادن ظرفیت باتری های لیتیوم یون در 250 دورۀ 250 بار تحویل داده شده و باتری ها به عنوان انتظار می رود.

یازده لیتیوم یون جدید بر روی یک آنالایزر باتری Cadex C7400 آزمایش شده است. تمام بسته ها با ظرفیت 88-94٪ آغاز شد و پس از 250 دوره کامل تخلیه به 73-84٪ کاهش یافت. بسته های کیفی 1500mAh در تلفن های همراه استفاده می شود.

جداول زیر نشان می دهد که میزان تلفات ظرفیت مربوط به استرس مربوط به لیتیوم یون بر پایه کبالت است. ولتاژ فسفات آهن لیتیوم و تیتانات لیتیوم پایین تر است و به مقادیر ولتاژ داده نمی شود.
اگرچه باتری باید ظرفیت 100 درصد ظرفیت سال اول سرویس را تامین کند، معمولا کمتر از ظرفیت مشخص شده است و عمر مفید آن ممکن است به این آسیب برساند. علاوه بر این، تولیدکنندگان تمایل دارند که باتری خود را بیش از حد بالا ببرند، زیرا می دانند که تعداد کمی از کاربران به صورت نقاط ضعف و شکایت می کنند. بدون نیاز به مطابقت سلول های تک در تلفن های همراه و قرص، همانطور که در بسته های چند سلولی مورد نیاز است، floodgates برای پذیرش عملکرد بسیار گسترده تر باز می شود. سلول هایی با ظرفیت های پایین تر ممکن است از طریق ترک ها بدون مصرف کننده آگاه شوند.

شبیه به یک دستگاه مکانیکی که با استفاده سنگین سریعتر می سوزد عمق تخلیه (DoD) مقدار چرخه باتری را تعیین می کند. کوچکتر تخلیه (DoD پایین)، طولانی تر باتری باقی خواهد ماند. در صورت امکان، اجتناب از تخلیه کامل و بارگیری بیشتر باتری از بین استفاده. تخلیه جزئی در لیتیوم خوب است. هیچ حافظه ای وجود ندارد و باتری نیاز به دوره های کامل تخلیه را ندارد تا طول عمر را طولانی کند. استثنا ممکن است کالیبراسیون دوره ای اندازه گیری سوخت بر روی یک باتری هوشمند یا دستگاه هوشمند باشد.

جدول 2 تعداد چرخه های تخلیه / شارژ را برآورد می کند. لیتیوم یون می تواند در سطوح مختلف وزارت دفاع انجام شود تا ظرفیت باتری تا 70 درصد کاهش یابد. وزارت دفاع ایالات متحده یک شارژ کامل و پس از آن تخلیه به سطح مشخص شده (SoC) در جدول می دهد.

لیتیم یون از استرس در معرض حرارت قرار می گیرد، بنابراین نگه داشتن یک سلول در یک ولتاژ شارژ بالا. محل باتری بیش از 30 درجه سانتیگراد (86 درجه فارنهایت) درجه حرارت بالا است و برای اکثر لیتیوم یونها ولتاژ بالای ولتاژ 4.10 V / سلول به عنوان ولتاژ بالا تلقی می شود . قرار گرفتن باتری به دمای بالا و زندگی در یک حالت کامل برای مدت زمان طولانی می تواند بیشتر از دوچرخه سواری استرس زا باشد. جدول 3 نشان می دهد که کاهش ظرفیت به عنوان تابعی از درجه حرارت و SoC.

اکثر یون های لیتیوم به 4.20V / cell شارژ می شوند و گفته می شود هر کاهش ولتاژ شارژ با ولتاژ 10. 10V / cell دوبرابر شده است. به عنوان مثال، یک سلول یون لیتیوم که به 4.20V / سلول متهم شده است، به طور معمول 300 تا 500 چرخه را ارائه می دهد. اگر به 4.10 V / سلول برسد، زندگی می تواند به 600-1000 دوره طولانی ادامه یابد؛ 4.0 ولت / سلول باید 1200 تا 2000 و 3.90 ولت / سلول باید ارائه 2400-4000 چرخه.

در طرف منفی، یک ولتاژ پائین موج پائین باعث کاهش ظرفیت ذخیره باتری می شود. به عنوان یک راهنمایی ساده، هر کاهش 70mV در ولتاژ شارژ ظرفیت کلی 10 درصد کاهش می یابد. با اعمال ولتاژ شارژ شارژ در شارژ بعدی، ظرفیت کامل را بازیابی می کند.

از لحاظ طول عمر، ولتاژ شارژ بهینه برابر 3.92V / cell است. کارشناسان باتری معتقدند که این آستانه تمام تنش های مربوط به ولتاژ را از بین می برد؛ رفتن به پایین ممکن است منافع بیشتری به دست نیاورده اما نشانه های دیگری را ایجاد کند. جدول 4 ظرفیت را به صورت تابع سطوح شارژ خلاصه می کند. (تمامی ارزش ها برآورد می شوند؛ سلول های انرژی با آستانه ولتاژ بالاتر ممکن است منحرف شوند.)

آزمایش: دانشگاه صنعتی چالمرز، سوئد، گزارش می دهد که با استفاده از میزان شارژ 50٪ SOC، طول عمر باتری لیتیوم یونی خودرو را با 44 تا 130 درصد افزایش می دهد.

اکثر شارژرها برای تلفن های همراه، لپ تاپ ها، تبلت ها و دوربین های دیجیتال شارژ لیتیوم یون به 4.20V / cell است. این به حداکثر ظرفیت اجازه می دهد، زیرا مصرف کننده چیزی کمتر از زمان اجرا مطلوب نمی دهد. از سوی دیگر صنعت از طول عمر بیشتر نگران است و ممکن است آستانه ولتاژ پایین را انتخاب کند. ماهواره ها و وسایل نقلیه الکتریکی نمونه هایی از این قبیل است.

به دلایل ایمنی، بسیاری از یون های لیتیوم نمی توانند 4.20V / cell تجاوز کنند. (برخی از NMC استثنا هستند). در حالی که ولتاژ بالاتر باعث افزایش ظرفیت می شود، بیش از ولتاژ، عمر مفید را کاهش می دهد و امنیت را به خطر می اندازد. شکل 5 تعداد سیکل را به صورت تابع ولتاژ شارژ نشان می دهد. در 4.35V، تعداد چرخه یک لیتیوم معمولی به نصف کاهش می یابد.

علاوه بر انتخاب آستانه ولتاژ مناسب برای یک برنامه داده شده، یک لیتیوم معمولی نباید در یک سقف ولتاژ بالا 4.20V / cell برای مدت زمان طولانی باقی بماند. شارژر یون لیتیوم جریان شارژ را خاموش می کند و ولتاژ باتری به سطح طبیعی تر می شود. این مانند آرامش عضلات پس از تمرین شدید است.

شکل 6 تست های تنش دینامیکی (DST) را نشان می دهد که نشان دهنده کاهش ظرفیت چرخه ی لیتیوم یون در پهنای باند شارژ و تخلیه مختلف است. بزرگترین تلفات در هنگام تخلیه یون لیتیوم کاملا شارژ تا 25 درصد SoC (سیاه و سفید) رخ می دهد؛ اگر به طور کامل تخلیه شود، از دست دادن بالاتر خواهد بود. دوچرخه سواری بین 85 تا 25 درصد (سبز) یک عمر طولانی تر را از شارژ تا 100 درصد و تخلیه تا 50 درصد (آبی تیره) فراهم می کند. کوچکترین ظرفیت از دست رفتن شارژ لیتیوم یون به 75 درصد و تخلیه آن به 65 درصد می رسد. با این وجود این باتری به طور کامل استفاده نمی کند. گفته می شود ولتاژ بالا و قرار گرفتن در معرض دمای بالا باعث کاهش سرعت باتری در مقایسه با دوچرخه سواری در شرایط عادی می شود.

^{Courtesy: ResearchGate - مدل سازی از تجزیه و تحلیل باتری لیتیوم یون برای ارزیابی عمر سلولی.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

اختلاف بین جدول 2 و شکل 6 در تعداد چرخه وجود دارد. هیچ توضیحی روشن در دسترس نیست به غیر از فرض تفاوت در کیفیت باتری و روش های آزمون. تفاوت بین مصرف کننده های کم هزینه و نمرات صنعتی قابل دوام ممکن است نقش داشته باشد. نگهداری ظرفیت در دمای بالاتر از 20 درجه سانتیگراد سریع تر می شود.

تنها یک چرخه کامل انرژی مشخص شده باتری را ارائه می دهد. با انرژی سلولی مدرن، این 250 وات / کیلوگرم است، اما زندگی چرخه به خطر افتاده است. تمام اینها خطی هستند، متوسط ​​عمر طولانی مدت 25-25 درصد انرژی را به 60 درصد کاهش می دهد و این به معنی کاهش چگالی انرژی خاص از 250Wh / kg به 150Wh / kg می باشد. تلفن های همراه کالاهای مصرفی هستند که از انرژی کامل باتری استفاده می کنند. دستگاه های صنعتی مانند EV، به طور معمول میزان شارژ را تا 85٪ و تخلیه تا 25٪ به عمر طولانی مدت را محدود می کنند.

شکل 7 داده ها را از شکل 6 خارج می کند تا طول عمر مورد انتظار لیتیوم یون را با استفاده از یک برنامه برون زائی که باعث تخریب خطی ظرفیت باتری با دوچرخه سواری پیشرفته می شود، گسترش دهد. اگر این درست بود، باتری لیتیوم یون در حدود 75٪ -25٪ SoC (آبی) پس از 14000 سیکل ظرفیت 74٪ را از بین می برد. اگر این باتری با همان عمق تخلیه (سبز) 85٪ شارژ شود، ظرفیت آن در 14000 دوران به 64٪ کاهش می یابد و با شارژ 100٪ با همان DoD (سیاه) ظرفیت به 48٪ کاهش می یابد . به دلایلی ناشناخته، امید به زندگی واقعی کمتر از مدل سازی شبیه سازی شده است.

باتری های لیتیوم یون به سه سطح مختلف SoC و مدل زندگی چرخه شارژ می شوند. محدود کردن محدوده شارژ عمر باتری را افزایش می دهد اما انرژی تحویل شده را کاهش می دهد. این نشان دهنده افزایش وزن و هزینه اولیه بالاتر است.
^{با اجازه به استفاده از Interpolation / extrapolation توسط OriginLab.}

^{تولید کنندگان باتری اغلب عمر یک باتری با یک 80DD را مشخص می کنند. این کار عملی است، زیرا باتری ها باید قبل از شارژ نگه داشتن مقداری از منابع طبیعی به کار گرفته شوند. ( BU-501: مبانی مربوط به تخلیه ، "چرخه تخلیه چیدمان" را ببینید) شمارش چرخه بر روی DST (تست تنش دینامیکی) با نوع باتری، زمان شارژ، پروتکل بارگیری و دمای کار متفاوت است. آزمایشات آزمایشگاهی اغلب اعداد را دریافت می کنند که در این زمینه قابل دستیابی نیستند.}

چه کاربر می تواند انجام دهد؟

شرایط محیطی، صرفنظر دوچرخه سواری تنها، طول عمر باتری های لیتیوم یون را مدیریت می کند. بدترین حالت نگه داشتن یک باتری کاملا شارژ در دمای بالا است. بسته های باتری به طور ناگهانی می میرند، اما زمانی که ظرفیت کاهش می یابد، زمان اجرا به تدریج کوتاه می شود.

ولتاژ پایین شارژ عمر باتری را افزایش می دهد و وسایل نقلیه و ماهواره های الکتریکی از این مزیت استفاده می کنند. مقررات مشابه نیز می تواند برای دستگاه های مصرف کننده ساخته شود اما این موارد به ندرت ارائه می شود؛ طول عمر برنامه ریزی شده از این مراقبت می کند.

باتری لپ تاپ را می توان با کاهش ولتاژ شارژ هنگام اتصال به شبکه برق متناوب. برای اینکه این ویژگی کاربر پسند باشد، دستگاه باید یک حالت "طول عمر" داشته باشد که باتری 4.05V / cell را نگه می دارد و SoC حدود 80 درصد را ارائه می دهد. یک ساعت قبل از سفر، کاربر از حالت "Full Capacity" برای جابجایی به 4.20V / cell درخواست می کند.

سوال بپرسید: «آیا باید از لپ تاپ من از شبکه برق جدا نکنم؟» در شرایط عادی این امر نباید ضروری باشد زیرا شارژ باتری باتری لیتیوم متوقف می شود. شارژ باطری تنها زمانی اعمال می شود که ولتاژ باتری به سطح خاصی برسد. اکثر کاربران برق متناوب را حذف نمی کنند و این عمل ایمن است.

لپ تاپ های مدرن خنک تر از مدل های قدیمی تر اجرا می شود و گزارش می دهند که آتش سوزی کمتر است. هنگام کار با دستگاه های الکتریکی با هوا خنک کننده بر روی یک تخت یا بالش همیشه جریان هوا را بدون محدودیت نگه دارید. یک لپ تاپ خنک کننده عمر باتری را افزایش می دهد و اجزای داخلی آن را حفظ می کند. سلول های انرژی، که اکثر محصولات مصرفی آن، باید 1C یا کمتر شارژ شود. اجتناب از شارژرهای به اصطلاح فوق سریع که ادعا می کنند به طور کامل شارژ لیتیوم یون در کمتر از یک ساعت می کنند.