Как продлить срок службы Li-ion аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают питание всевозможных устройств, техники и оборудования. От таких элементов получают энергию электронные девайсы, портативные электроинструменты, складская и клининговая техника на электротяге, средства индивидуальной мобильности, персональный электротранспорт. Перечень приборов и аккумуляторной техники, работу которых обеспечивают Li-ion батареи, с каждым годом увеличивается.

Главными преимуществами литий-ионных АКБ выступают:

• простота применения и нетребовательность в уходе;
• высокая удельная емкость;
• эффективная работа в циклическом и буферном режиме;
• отсутствие выраженного эффекта памяти;
• возможность подзарядки при произвольном уровне остаточной емкости;
• стабильная токоотдача на протяжении всего цикла разряда;
• малый саморазряд;
• широкие возможности использования.

Конечно, есть у Li-ion аккумуляторов и слабые стороны, прежде всего – неизбежное снижение рабочих параметров с течением времени, которое называют химической деградацией или естественным старением. Эти процессы протекают медленно, но при нарушении правил эксплуатации ускоряются. Поэтому для продления срока службы литиевых батарей нужно соблюдать рекомендации производителей по их использованию.

Что влияет на срок службы Li-ion батарей?

Длительность жизни литиевых аккумуляторов измеряют не годами, а числом рабочих циклов. Это объясняется тем, что в большинстве случаев такие АКБ работают циклично, в режиме заряд-разряд. Их циклический ресурс зависит от следующих факторов:

1. Химический состав – технология производства и, прежде всего, используемый материал катода. В обширной категории Li-ion элементов питания есть разные подгруппы – с большей токоотдачей, с увеличенным запасом емкости, с расширенным диапазоном рабочих температур и т.д. Различаются они и по сроку службы. Так, LFP аккумуляторы (с материалом катода LiFePO4) сохраняют исходные характеристики на протяжении 2000 циклов заряд-разряд и более. У остальных Li-ion элементов (с литий-кобальтовым, литий-марганцевым и другими типами химии) ресурс меньше и в среднем составляет 500–1000 циклов.
2. Условия эксплуатации:

• режим зарядки;
• величина токов, отдаваемых в нагрузку;
• глубина разряда;
• соблюдение температурного режима.

3. Сбалансированность ячеек в аккумуляторной сборке.

Как продлить жизнь литиевым АКБ?

Чтобы фактический ресурс Li-ion аккумуляторов не оказался гораздо ниже заявленного производителем номинального ресурса, нужно четко соблюдать рекомендации по их эксплуатации, зарядке и хранению. Точные рекомендации для разных элементов питания приводятся в поставляемой с ними инструкции или руководстве. Мы же приведем общие правила, соблюдение которых поможет продлить срок годности литиевых АКБ и использовать их с большей эффективностью.

1. Корректная зарядка

Заряжать литий-ионные АКБ следует:

• при плюсовой температуре;
• подходящими зарядными устройствами;
• в режиме CC/CV;
• не превышая рекомендованные производителем токи заряда (обычно от 1С до 5С).

Высокотоковые элементы допускают быструю зарядку более высокими токами, но максимально комфортная и щадящая для всех ячеек – медленная зарядка. В ходе подзарядки нельзя накрывать батарею или ЗУ, чтобы не допустить их перегрева. После использования на морозе АКБ перед зарядкой нужно оставить на несколько часов в помещении, чтобы она прогрелась до комнатной температуры. Зарядное устройство должно подходить батарее не только по типу химии, но и по диапазону рабочих напряжений, и по величине зарядного тока.

2. Комфортные токи разряда

Чтобы батарея служила дольше и эффективнее, не стоит нагружать ее максимально допустимыми токами разряда. Но как же тогда питать мощную технику? Все просто: используйте АКБ повышенной емкости, чтобы на каждую ячейку в параллельном соединении приходилась меньшая сила разрядного тока. Соблюдение этого условия не только убережет элементы питания от перегрева, но и увеличит их ресурс.

3. Защита от чрезмерных разрядов

Для профилактики преждевременного износа Li-ion накопители нужно беречь от переразряда и не хранить разряженными. Иначе в их химической структуре наблюдаются необратимые изменения, что как минимум сказывается на величине восстанавливаемой емкости. Поэтому такие АКБ обязательно снабжают специальными контроллерами – BMS или PCM платами.

Контроллер защиты следит, чтобы батарея не разряжалась ниже допустимого уровня – при критическом падении напряжения просто отключает ее от нагрузки. Аналогично он обеспечивает защиту от перезаряда, перегрева, КЗ и других рисков. Чтобы использовать ячейки в щадящем режиме, при сборке АКБ их оснащают БМС платами с более комфортными пределами рабочего напряжения. При этом немного снижается величина запасаемой емкости, зато ячейки служат дольше.

4. Соблюдение оптимального температурного режима

Чтобы элементы питания работали дольше и эффективнее, желательно использовать их при наиболее комфортных температурах – при срединных значениях допустимых диапазонов, избегая перегрева и переохлаждения.

5. Сбалансированность ячеек

Иногда аккумуляторная батарея теряет в характеристиках и преждевременно выходит из строя из-за разбаланса ячеек. Это значит, что входящие в ее состав последовательно соединенные элементы после ряда циклов заряда-разряда отклоняются от одинакового напряжения – «разбегаются по вольтажу».

В результате при зарядке одни из них систематически оказываются перезаряженными, а другие – недостаточно заряженными. Подобная проблема возникает и при питании нагрузки: некоторые ячейки разряжаются быстрее и сильнее. Со временем разбалансировка становится все более выраженной, нарушается рекомендованный диапазон рабочих напряжений, ячейки работают с разной производительностью и некоторые из них изнашиваются быстрее.

Для профилактики разбаланса при сборке АКБ используют полностью идентичные ячейки и специальные устройства – BMS платы с функцией балансировки и активные или пассивные балансиры. BMS платы выравнивают напряжение малыми токами, поэтому подходят только для батарей умеренной емкости. В остальных случаях необходимо использовать балансиры, причем для высокоемкостных АКБ – активные.

Выводы

Сколько прослужат Li-ion аккумуляторы в конкретном случае – зависит от их технических особенностей и условий эксплуатации. Каждый элемент питания потенциально может отработать заявленное производителем количество циклов, но отработает ли – зависит от того, насколько скрупулезно вы будете соблюдать рекомендации по его использованию.

В защищенных аккумуляторах и в составе батарей предусмотрены специальные электронные модули, которые оберегают элементы питания от всевозможных рисков (перезаряда, переразряда, перегрева и пр.). Но если, например, на несколько месяцев забыть о разрядившемся аккумуляторе, постепенный саморазряд приведет к критическому снижению напряжения. Даже если такой накопитель энергии не уйдет в глухую защиту (откажется заряжаться из-за превентивных мер БМС платы), прослужит он гораздо меньше и хуже, чем мог бы при корректном применении.

Аналогично вредят литиевым батареям переохлаждение, перегрев, использование на пределе возможностей и неправильное хранение. Более того, длительное хранение литиевым элементам питания противопоказано из-за их склонности к «старению». Поэтому покупать их впрок не стоит – они лучше проявят свои возможности, если не успеют «состариться» и будут активно использоваться, а не лежать на полке.

Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec о выборе между перезаряжаемыми аккумуляторами и одноразовыми батарейками.