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如何延長鋰電池的使用壽命

鉅大LARGE  |  點擊量:6607次  |  2018年04月28日  

摘要
鋰離子電池是通過離子在正負電極之間的遷移來實現工作的。理論上,在這種機理下,鋰離子電池是可以一直工作下去的。但是,隨時間的延長,由于充放電循環伴隨著溫度的升高和電池老化的原因,電池性能下降。

  鋰離子電池是通過離子在正負電極之間的遷移來實現工作的。理論上,在這種機理下,鋰離子電池是可以一直工作下去的。但是,隨時間的延長,由于充放電循環伴隨著溫度的升高和電池老化的原因,電池性能下降。制造商采取比較保守的估計,認為大多數商業化的鋰離子電池循環壽命在300到500次循環之間。

  不過通過循環次數來評定電池的壽命是沒有實際意義的,因為放電過程中可能存在深度放電,并且沒有清晰的標準來表征循環次數的概念。除了用循環計數表征外,一些設備制造商建議使用日期戳來標明更換電池的時間,但這種方法忽略了使用時的環境條件,也是不可靠的。一個電池可能因過載使用或者溫度條件的不適應而導致在使用期限內報廢,但是大多數電池組的使用壽命卻遠遠超過了規定時間。

  電池的性能是由電池容量來表征的,這也是一項重要的電池安全指標。電池內阻與自放電會影響電池容量,但是這種影響對于判定新型的鋰離子電池最終的壽命而言,卻微乎其微。

  圖1顯示了11個鋰聚合物電池在Cadex實驗室循環測試時的容量衰減情況。這種手機使用的是1500mAh的袋狀電池,首先在1C的倍率下充電到4.2V,然后在0.05C的倍率下充電完全。隨后,將電池在1C的倍率下放電至3.0V,并且重復該循環。在超過250圈的循環次數下鋰離子電池預期的容量衰減與測試得到的容量衰減相吻合。

                                                               圖1:電池部分循環后的容量衰減

  11個新的鋰離子電池的循環測試由CadexC7400電池分析設備完成。所有的電池組首次放電的容量占初始容量的88-94%,經過250次循環后,衰減到了73-84%。并且,這些1500mAh的電池組均被用于手機。(數據由Cadex提供)

  盡管說電池在工作的第一年應該釋放100%的容量,但是通常情況下會低于給定的容量,而電池閑置不使用也會造成容量的衰減。而且制造商也往往會過高標定他們的電池容量,因為他們知道只有極個別的消費者會去投訴。此外,手機或者平板電腦大多只需要使用單個電池,而不需要多個電池組,這也為電池性能提供了更寬的可接受范圍,而性能較差的一些電池也因此被忽略了。

  和過載使用的機械設備一樣,深度放電也會造成電池循環次數的降低。因此,縮短放電時間有利于電池壽命的延長。此外,我們應盡可能地避免完全放電或者給電池頻繁充電,不完全放電對鋰離子電池是有益的。鋰離子電池沒有記憶效應,不需要周期性地完全放電循環來延長電池壽命。但是也有例外,譬如燃油表或者智能設備需定期校正。

  表2對比了鋰離子電池在不同程度下充放電循環至容量衰減為70%所需要的周次,其他的變量,如充電電壓、溫度、負載電流為默認設置。

  受熱或高充電電壓下也會使鋰離子電池承受更大的負擔,30℃(86°F)對于大多數鋰離子電池來說已經算是較高溫度了,4.10V/電池以上的電壓為高電壓。將充滿電的電池暴露在高溫下較長時間比電池循環次數增加對鋰離子的壓力還要大。表3表示了容量損失與溫度的函數關系。

  大多數的鋰離子充電到4.20V,每當充電的截止電壓降低0.1V時,電池的循環壽命將會擴大一倍。例如,鋰離子電池充電到4.2V時,通??梢匝h300–500次;如果充電截止電壓設為4.10V,壽命可延長至600–1000次循環;設置為4.00V充電制度下可以實現1200–2000次循環;對于3.90V,可以達到2400–4000次循環。

  然而,較低的充電電壓往往會降低電池的容量。通常情況下,充電截止電壓每降低70mV,電池總的容量將會降低10%,而再升高到截止電壓時,則又會得到100%的容量。

  對于循環壽命來說,鋰離子電池的最佳充電電壓為3.92V。電池專家們相信這個臨界值消除了所有與電壓相關的不利影響,當低于該值時,可能會給電池帶來其他的不利影響。表4總結了不同充電水平下的電池容量狀況,所有數值均是估值。

  手機、筆記本、平板電腦以及數碼相機使用的鋰離子電池充電器充電電壓均設為4.2V,這也將會提供最大的容量,因為畢竟最長的使用時間是消費者們的首選。另一方面,對于工廠而言,他們首要考慮的是電池壽命,因而往往會選擇較低的電壓閾值。譬如,衛星和電動汽車,電池壽命的重要性要高于容量。

  出于安全因素的考慮,許多鋰離子電池充電電壓并不能超過4.2V(高能量密度的三元材料電池是個例外,它的充電電壓為4.3V)。雖然較高的電壓將會大大增加電池的容量,但是高電壓會縮短使用壽命,并且降低安全性。圖5顯示了循環次數與充電電壓之間的關系,其中4.35V時,循環次數縮短了一半。

                                                               圖5循環次數與充電電壓之間的關系

  提高充電電壓將會提高電池容量,但也會降低電池的循環壽命和安全性[摘自Choi等人(2002)]

  除了在給定的條件下選擇最佳的電壓閾值,通常情況下,為得到較長的使用壽命,鋰離子電池不應該在較高的電壓上限下工作。就像劇烈運動后需要放松肌肉,電池充滿電后,也需要將電池移走而使電壓恢復到自然水平。盡管運行著的充電器會在電池充滿后自動停止充電,但一些充電器會在終止電壓下降到給定值時繼續充電。

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