Miten huoltaa litiumakkua paremman suorituskyvyn saavuttamiseksi?

Lataustilan hallinta: Älä mene ääripäihin optimaalia pituusikää varten

Litiumakun lataamisen 100 %:iin ja purkamisen 0 %:iin riskit

Lataamalla litiumakut täyteen 100 %:iin tai antamalla niiden tyhjentyä täysin kiihtyy niiden heikkeneminen ajan myötä. Kun solut saavuttavat maksimilatauksen, jännite nousee niin korkeaksi, että se alkaa hajottaa akun sisällä olevia elektrolyyttejä. Myöskään syvät purkaukset eivät ole suotuisia, koska ne aiheuttavat todellista rasitusta akun anodimateriaaleihin. Viime vuonna Bonnen Batteriesin julkaiseman tutkimuksen mukaan sähköautot, jotka pitivät lataustasonsa 85 %:n ja 25 %:n välillä sen sijaan, että olisivat lataaneet täyteen, kokivat noin 40 prosenttia vähemmän kapasiteettihäviötä 1 000 latausjakson jälkeen. Tämä on loogista, kun ajattelee asiaa näin: akkujen pitäminen niiden mukavuusvyöhykkeellä pidentää merkittävästi niiden käyttöikää.

Ideaalinen lataustason vaihteluväli (40–80 %) arjessa

Litiumakkujen säilyttäminen noin 40–80 prosentin varauksen välillä arjessa tarjoaa sekä hyvän suorituskyvyn että pidemmän käyttöiän. Kun akut pysyvät tässä optimaalisessa vaiheessa, ne kokevat vähemmän jännitestressiä, mikä auttaa pitämään niiden kapasiteetin suurimman osan ennallaan. Joitakin Large Powerin teollisiin akkujärjestelmiin liittyviä testejä mukaillen voidaan todeta, että tällä alueella säilytetyt akut voivat säilyttää noin 90 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan, vaikka niitä olisi ladattu 500 kertaa. Myös autoteollisuus on havainnut samankaltaisia tuloksia. Tutkimukset osoittavat, että sähköautot, joita käytetään pääasiassa 20–80 prosentin latausvälillä, menettävät kolmen vuoden aikana vain puolet siitä akkukapasiteetista verrattuna niihin, joiden lataustaso ajetaan ääripäihin. Tämä on järkevää, kun otetaan huomioon, miten akkujen kemiallinen toiminta toimii erilaisissa latausolosuhteissa.

Osittainen lataus vs. täysi lataus akun terveydelle: Miksi usein tapahtuvat pikalataukset auttavat

Puhelinten lataaminen usein vain osittain, esimerkiksi noin 30–70 prosenttiin, ei vahingoita akun kuntoa yhtä paljon kuin sen täydellinen tyhjennys nollaan ennen uudelleenlataamista. Osittaisten latausten yhteydessä litiumionien kertyminen akun negatiiviseen elektrodiin on vähäisempää, ja juuri tämä on yksi pääsyistä, miksi akut heikkenevät ajan myötä. Ne henkilöt, jotka lataavat puhelintaan päivän aikana kaksi tai kolme kertaa, saavat yleensä noin 25 prosenttia pidemmän akun käyttöiän verrattuna niihin, jotka odottavat, että puhelin tyhjenee kokonaan ennen lataamista. Suuri puhelinvalmistaja teki tutkimuksen vuonna 2022 ja havaitsi tämän mallin toistuvan eri malleissa ja käyttötilanteissa.

Tapausstudy: Älypuhelimen käyttäjät, jotka pitävät varauksen 20–80 prosentin välillä, saavat 30 % pidemmän syklisäädyn

12 kuukauden havaintotutkimus seurasi 1 200 älypuhelin käyttäjää, jotka pitivät akkujen varausasteet 20–80 %:n välillä. Laitteet, joissa oli mukautuva latausjärjestelmä, säilyttivät 92 % alkuperäisestä kapasiteetista verrattuna täyden lataussyklin käyttäjien 72 %:iin, mikä osoittaa, että lyhyet puristussyklit hyödyttävät kaikkia litiumakkuja.

Trendi: Alkuperäisten valmistajien käyttöön ottama 'mukautuva lataus' estää yli­lataamista yöaikana

Suuret valmistajat integroivat nyt tekoälyohjattuja latausalgoritmeja, jotka oppivat käyttäjien käyttötottumuksia. Nämä järjestelmät viivästyttävät yöaikaista latauksen valmistumista vähentääkseen aikaa, joka kuluu 100 %:n varausasteella. Autokalusto, joka käyttää mukautuvaa latausta, raportoi 18 % hitaammasta vuosittaisesta kapasiteetin heikkenemisestä verrattuna tavallisiin latausprotokolliin.

Latauskäytännöt: Pikalatauksen ja tavallisen latauksen etuja ja haittoja

Latausnopeuden vaikutus akun elinikään: Lämpö ja rasitus pikalatauksen seurauksena

Pikalatauksen mukavuus tulee piilotettujen kustannusten muodossa litiumakun terveydelle. Suuriteholataus tuottaa 40 % enemmän lämpöä kuin tavalliset menetelmät, mikä kiihdyttää elektrodien heikkenemistä ja elektrolyytin hajoamista. Tämä lämpökuormitus voi pysyvästi vähentää latauskapasiteettia jopa 12 % 300 syklin aikana älypuhelimissa ja sähköautoissa.

Litiumakkujen oikeat latausmenetelmät: koska käyttää hitaata ja koska pikalatausta

Suosi hitasta latausta (1C-nopeudella) arjessa ja varaa pikalataus (>2C) hätätapauksiin. Esimerkiksi:

Data-piste: Sähköautot, jotka käyttävät säännöllisesti DC-nopealatausta, näyttävät 15 % nopeampaa kapasiteettikatoa

Kolmivuotinen tutkimus 12 000 sähköautosta paljasti, että akut, joita ladattiin DC-nopealatausasemilla ¥3 kertaa/viikko, heikkenivät 15 % nopeammin kuin ne, jotka käyttivät taso 2 -laturia. Tämä vastaa laboratoriodataa, joka osoittaa 20 % korkeamman litiumhopeutumisen 40°C lämpötilassa nopealatauksen aikana.

Strategia: Käytä nopealatausta vain hätätapauksiin, käytä tavallista latausta arjen aikana

Toteuta 80/20 -sääntö: rajoita nopealataus enintään 20 %:iin kaikista latauskerrroista. Älypuhelimien käyttäjät, jotka noudattavat tätä mallia, säilyttivät 95 %:n alkuperäisestä kapasiteetistaan kahden vuoden jälkeen verrattuna 82 %:iin niillä, jotka käyttivät nopealatausta päivittäin. Käytä mukautuvaa latausta, joka hidastaa tehonsyöttöä yli 80 %:n varauksella.

Lämpötilanhallinta: Suojaa litiumakkuja lämpöstressiltä

Lämpötilan vaikutus litium-ion-akun iäännytykseen: 25°C on ideaalinen kynnysarvo

Litiumakkujen suorituskyky ja kestoikä ovat parhaat, kun niitä käytetään noin 25 °C (77 °F):n lämpötilassa. Lämpötilan poikkeaminen tästä kohdasta kiihdyttää vanhenemista: joka 15 °C:n nousu yli 25 °C:lla voi puolittaa syklin keston nopeutetun elektrolyytin hajoamisen vuoksi. Nykyaikaiset akkujen hallintajärjestelmät (BMS) säätävät aktiivisesti lämpötiloja termistoreiden ja jäähdytyskiertojen avulla.

Korkean lämpötilan riskit: Elektrolyytin nopeutunut hajoaminen yli 35 °C:ssa

Pitkäaikainen altistuminen yli 35 °C:n lämpötiloille aiheuttaa peruuttamatonta vahinkoa:

• Elektrolyytin haihtuminen lisää sisäistä vastusta 40–60 %
• SEI-kerroksen kasvu kuluttaa aktiivisia litiumioneja (0,5–1,2 % per sykli 40 °C:ssa)
• Alumiinivirtakokoajan korroosio kiihdyttää kapasiteetin heikkenemistä

Alhaisen lämpötilan vaikutukset: Litiumsaostuma alle 0 °C latauksen aikana

Lithiumioniparistojen lataaminen alle 0 °C:n lämpötilassa aiheuttaa metallisen litiumin muodostumisen grafiittianodeille, mikä vähentää kapasiteettia 5–20 % tapahtumasta riippuen. Tämä pinnoitus luo dendriittejä, jotka aiheuttavat sisäisten oikosulkujen vaaran. Sähköautonvalmistajat edellyttävät nyt pariston esilämmitystä 15 °C:seen ennen DC-nopealatausta pakkasoloissa.

Parhaat käytännöt: Lithiumioniparistojen säilytys ja käyttö turvallisella lämpötila-alueella

• Käytä aktiivisia jäähdytysratkaisuja, kuten nestejäähdytystä, yli 5 kW:n sovelluksissa
• Eristä ulkokäyttöön tarkoitetut paristot samalla kun varmistat 2–3 tuuman ilmavälit tuuletukseen
• Vältä suoraa auringonvaloa altistavia pintoja, joiden pintalämpötila voi ylittää 60 °C
• Tarkkaile solujen lämpötilaeroja – pidä vaihtelut alle 5 °C

Tyhjennystaso ja syklisikeä: Käyttökuvion optimointi

Lithiumionipariston elinkaari riippuu voimakkaasti siitä ladattavuuden syvyys (DOD) kuinka suuri osuus kokonaiskapasiteetista käytetään jokaisella syklillä. Uusimmat tutkimukset vahvistavat, että kevyet tyhjennyskäytännöt voivat yli kaksinkertaistaa pariston käyttöiän verrattuna syviin purkauksiin.

Tyhjennystaso ja sen vaikutus sykliikään: Osittaiset syklit pidentävät käyttöikää

Jokainen täydellinen tyhjennys rasittaa litiumakun elektrodeja ja elektrolyyttiä. Tutkimus 2024 Battery Aging Report näyttää:

Osittaistyhjennykset vähentävät anodin kiteiden kasvua, säilyttäen litium-ionien liikkuvuuden. Esimerkiksi DoD:n rajoittaminen 50 %:iin 100 %:n sijaan lisää akun elinkaaren aikana toimitettua kokonaisenergiaa 300 %:lla (Yhdysvaltain energian osasto, 2023).

Sykliikä ja kapasiteetin säilyminen ajan myötä: 20 %:n DoD kaksinkertaistaa keston verrattuna 80 %:n DoD:hon

20 %:n DoD:n käyttö pidentää merkittävästi litiumakun käyttöikää verrattuna jopa kohtalaisiin 80 %:n tyhjennyksiin. Teollisuusanalytikoiden testaukset osoittavat:

• 80% DOD = noin 800 sykliä ennen 80 %:n kapasiteettia
• 20 % DoD = noin 3 200 kierrosta 90 % kapasiteetilla

Tämä 4x kierrosmäärän ero johtuu pienemmästä mekaanisesta rasituksesta tyypillisissä osittaispuristuksissa.

Strategia: Käytä akkukäyttöisiä laitteita ennen täydellistä purkautumista vähentääksesi rasitusta

Ota nämä tavat käyttöön optimoidaksesi DoD:tä:

1. Lataa laitteita, kun jäljellä on 30–40 % kapasiteetista
2. Vältä pariston ahdistuksen aiheuttamia purkauksia alle 10 %:iin
3. Käytä aikakatkaisijoita tai älykkäitä pistokkeita estääksesi yölataamisen

Valmistajat suosittelevat nykyään keskimmäisen syklin lataamista, ja edellä käyvät akkujen hallintajärjestelmät rajoittavat automaattisesti latauksen/purkauksen 20–80 %:n rajojen sisään.

Pitkäaikainen säilytys ja huolto: Litiumakkujen kunnon ylläpito

Akun varastointiehdot: Ihanteellinen varaus 40–60 % ja viileä lämpötila

Jotta litiumakut eivät menetä kykyään pitää sähköä ajan myötä, niitä on säilytettävä tietyissä olosuhteissa. Useimmat alan asiantuntijat suosittelevat pitämään ne noin 40–60 prosentin varauksella käytön aikana sekä säilyttämään niitä paikassa, jossa lämpötila pysyy noin 15–25 asteen Celsiusta välillä (noin 59–77 Fahrenheit-astetta). Kun lämpötila nousee yli 35 astetta Celsius, akun sisäiset hajoamisprosessit kiihtyvät. Joidenkin tutkimusten mukaan akun käyttöikä voi puolittua, jos lämpötila on 10 astetta korkeampi kuin suositeltu. Myös kosteus on tärkeä tekijä; yli 60 prosentin ilmankosteus voi aiheuttaa korroosio-ongelmia. Jos akkuja aiotaan säilyttää kausien ajan, on järkevää tarkistaa jännite muutaman kuukauden välein varmistaakseen, ettei kennojen tila muutu epätoivottavasti.

Syvän purkauksen välttäminen pidemmällä varastoinnilla

Kun litiumakkuja säilytetään alle 20 %:n varauksella, ne kohtaavat vakavia ongelmia, kuten sulfaattikerroksen muodostumisen, joka voi pysyvästi vähentää niiden kapasiteettia. Nämä akut menettävät virtaa myös luonnollisesti ajan myötä noin 1–5 prosenttia kuukaudessa vain seisottuaan, ja lopulta ne voivat tyhjentyä täysin. Hyvä käytäntö pitkäaikaisvarastoinnissa on ladata ne noin puoleen varaukseen suunnilleen kolmen kuukauden välein käyttämättömänä. Lentokoneissa tapahtuvan tarkastelu osoittaa, kuinka tärkeää tämä on. Lentokoneiden akut, jotka jätetään nollan prosentin varaukseen kuudeksi kuukaudeksi, menettävät tyypillisesti noin 18 % kokonaiskapasiteetistaan ikuisesti, kun taas noin 50 %:n varauksessa pidetyt akut menettävät vain noin 4 %. Tämä tekee kaiken eron sen välillä, saadaanko akusta vuosien käyttöikä vai joudutaanko vaihtamaan se paljon aiemmin kuin odotettiin.

Akun kunnon seuranta käyttöajan havainnoinnilla ja ohjelmistotyökaluilla

Seuraa suorituskyvyn muutoksia kahdella menetelmällä:

1. Käyttöajan vertailu : Huomaa käyttöajan väheneminen latausten välillä
2. Diagnostiset työkalut : Käytä impedanssiseurantalaitteita tai valmistajan ohjelmistoa sisäisen vastuksen mittaamiseen

Vuoden 2023 analyysi aurinkoenergian varastointijärjestelmistä osoitti, että terveysmittareita seuranneet käyttäjät säilyttivät 92 % kapasiteetistaan 1 000 syklin jälkeen, verrattuna 78 %:iin seurannassa ottamattomissa järjestelmissä.

Trendi: Älykäs BMS, joka integroi tekoälyn jäljellä olevan käyttöiän ennustamiseksi

Akkujen hallintajärjestelmät alkavat nykyään hyödyntää koneoppimisalgoritmeja akkujen kulumisen seuraamiseen ajan myötä. Uudemmat järjestelmät tarkastelevat ennustettaessa akun kestoa muun muassa jännitemuutoksia, lämpötilan vaihteluita ja aiempia latausjaksoja. Joidenkin testien mukaan nämä älykkäät järjestelmät voivat ennustaa akun eliniän noin 89 prosentin tarkkuudella, mikä on noin 35 prosenttia parempi kuin vanhat menetelmät, jotka perustuivat pelkästään jännitetasoihin. Tämäntyyppinen ennakoiva kyky tarkoittaa, että teknikot voivat korjata ongelmia ennen kuin ne kasvavat vakaviksi vioiksi. Käytännössä on osoitettu, että tämä lähestymistapa voi pidentää akkujen käyttöikää 20–30 prosenttia sekä sähköautoissa että suurissa sähköverkon energiavarastoratkaisuissa.