Cách kéo dài pin dựa trên lithium

December 11, 2018

Khám phá nguyên nhân khiến Li-ion bị lão hóa và người dùng pin có thể làm gì để kéo dài tuổi thọ của nó.

Nghiên cứu về pin đang tập trung vào các hóa chất lithium đến mức người ta có thể tưởng tượng rằng tương lai pin chỉ nằm ở lithium. Có nhiều lý do để lạc quan vì lithium-ion, về nhiều mặt, vượt trội so với các hóa chất khác. Các ứng dụng đang phát triển và đang xâm lấn vào các thị trường mà trước đây được giữ vững bởi axit chì, chẳng hạn như chế độ chờ và cân bằng tải. Nhiều vệ tinh cũng được cung cấp bởi Li-ion.

Lithium-ion vẫn chưa hoàn toàn trưởng thành và vẫn đang được cải thiện. Những tiến bộ đáng chú ý đã được thực hiện trong tuổi thọ và an toàn trong khi công suất đang tăng dần. Ngày nay, Li-ion đáp ứng sự mong đợi của hầu hết các thiết bị tiêu dùng nhưng các ứng dụng cho EV cần phát triển hơn nữa trước khi nguồn năng lượng này sẽ trở thành tiêu chuẩn được chấp nhận.

Điều gì gây ra lithium-ion cho tuổi?

Pin lithium-ion hoạt động dựa trên chuyển động ion giữa các điện cực dương và âm. Về lý thuyết, một cơ chế như vậy sẽ hoạt động mãi mãi, nhưng đạp xe, tăng nhiệt độ và lão hóa làm giảm hiệu suất theo thời gian. Các nhà sản xuất thực hiện một cách tiếp cận thận trọng và chỉ định tuổi thọ của Li-ion trong hầu hết các sản phẩm tiêu dùng là từ 300 đến 500 chu kỳ xả / sạc.

Đánh giá tuổi thọ pin trên các chu kỳ đếm không phải là kết luận vì sự phóng điện có thể khác nhau về độ sâu và không có tiêu chuẩn được xác định rõ ràng về những gì tạo nên một chu kỳ. Thay vì đếm chu kỳ, một số nhà sản xuất thiết bị đề nghị thay pin trên tem ngày, nhưng phương pháp này không tính đến việc sử dụng. Pin có thể bị hỏng trong thời gian quy định do sử dụng nhiều hoặc điều kiện nhiệt độ không thuận lợi; tuy nhiên, hầu hết các gói tồn tại lâu hơn đáng kể so với những gì tem chỉ ra.

Hiệu suất của pin được đo theo dung lượng, một chỉ số sức khỏe hàng đầu. Điện trở trong và tự xả cũng đóng vai trò, nhưng những điều này ít có ý nghĩa trong việc dự đoán kết thúc thời lượng pin với Li-ion hiện đại.

Hình 1 minh họa sự sụt giảm công suất của 11 pin Li-polymer đã được đạp trong phòng thí nghiệm Cadex. Các tế bào túi 1.500mAh cho điện thoại di động lần đầu tiên được sạc ở mức 1.500mA (1C) đến 4.20V / cell và sau đó được cho phép bão hòa đến 0,05C (75mA) như là một phần của độ bão hòa sạc đầy. Pin sau đó được xả ở mức 1.500mA đến 3.0V / cell và chu kỳ được lặp lại. Sự suy giảm công suất dự kiến ​​của pin Li-ion là đồng đều trong 250 chu kỳ được giao và pin được thực hiện như mong đợi.

Mười một Li-ion mới đã được thử nghiệm trên máy phân tích pin Cadex C7400. Tất cả các gói bắt đầu với công suất 88 Lần94% và giảm xuống 73 Lần84% sau 250 chu kỳ xả đầy đủ. Các túi đựng 1500mAh được sử dụng trong điện thoại di động.


Các bảng sau đây cho thấy tổn thất công suất liên quan đến stress đối với lithium-ion dựa trên coban. Điện áp của lithium sắt phosphate và lithium titanate thấp hơn và không áp dụng cho các tham chiếu điện áp được đưa ra.
Mặc dù pin sẽ cung cấp 100% công suất trong năm đầu tiên sử dụng dịch vụ, nhưng thông thường sẽ thấy thấp hơn dung lượng quy định và thời hạn sử dụng có thể góp phần vào sự mất mát này. Ngoài ra, các nhà sản xuất có xu hướng đánh giá quá cao pin của họ, biết rằng rất ít người dùng sẽ kiểm tra tại chỗ và khiếu nại nếu thấp. Không phải ghép các ô đơn trong điện thoại di động và máy tính bảng, như được yêu cầu trong các gói đa ô, sẽ mở ra các vùng lũ để chấp nhận hiệu suất rộng hơn nhiều. Các tế bào có dung lượng thấp hơn có thể trượt qua vết nứt mà người tiêu dùng không biết.

Tương tự như một thiết bị cơ học bị hao mòn nhanh hơn khi sử dụng nhiều, độ sâu xả (DoD) xác định số chu kỳ của pin. Lưu lượng càng nhỏ (DoD thấp), pin sẽ càng kéo dài. Nếu có thể, tránh xả hết và sạc pin thường xuyên hơn giữa các lần sử dụng. Xả một phần trên Li-ion là tốt. Không có bộ nhớ và pin không cần chu kỳ xả đầy định kỳ để kéo dài tuổi thọ. Ngoại lệ có thể là hiệu chuẩn định kỳ của đồng hồ đo nhiên liệu trên pin thông minh hoặc thiết bị thông minh.

Chú thích:

Bảng 2, 3 và 4 cho thấy xu hướng lão hóa chung của pin Li-ion dựa trên coban phổ biến về mức độ phóng điện, nhiệt độ và mức sạc, Bảng 6 xem xét thêm về sự suy giảm công suất khi hoạt động trong phạm vi băng thông đã cho và xả. Các bảng không giải quyết sạc cực nhanh và xả tải cao sẽ rút ngắn tuổi thọ pin. Không có tất cả các pin hoạt động như nhau.

Bảng 2 ước tính số chu kỳ xả / sạc mà Li-ion có thể cung cấp ở các mức DoD khác nhau trước khi dung lượng pin giảm xuống 70%. DoD tạo thành một khoản phí đầy đủ theo sau là sự phóng điện đến mức trạng thái chỉ định (SoC) được chỉ định trong bảng.

Độ sâu xả Chu kỳ xả
(NMC / LiPO4)
Bảng 2: Vòng đời như là một hàm của
độ sâu xả. * Xả một phần làm giảm căng thẳng và kéo dài tuổi thọ pin, do đó sạc một phần. Nhiệt độ cao và dòng điện cao cũng ảnh hưởng đến vòng đời.

Lưu ý: 100% DoD là một chu kỳ đầy đủ; 10% là rất ngắn gọn. Đạp xe ở giữa trạng thái sạc điện sẽ có tuổi thọ tốt nhất.
DoD 100% ~ 300/600
DoD 80% ~ 400/900
60% DoD ~ 600 / 1.500
40% DoD ~ 1.000 / 3.000
20% làm ~ 2.000 / 9.000
10% DoD ~ 6.000 / 15.000

Lithium-ion bị căng thẳng khi tiếp xúc với nhiệt, do đó, giữ cho một tế bào ở điện áp cao. Pin ở trên 30 ° C (86 ° F) được coi là nhiệt độ cao và đối với hầu hết Li-ion, điện áp trên 4.10V / cell được coi là điện áp cao . Tiếp xúc với pin ở nhiệt độ cao và ở trong trạng thái sạc đầy trong thời gian dài có thể gây căng thẳng hơn so với đạp xe. Bảng 3 cho thấy sự suy giảm công suất là hàm của nhiệt độ và SoC.

Nhiệt độ Phí 40% Sạc 100% Bảng 3: Khả năng thu hồi ước tính khi lưu trữ Li-ion trong một năm ở các nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ cao đẩy nhanh mất công suất vĩnh viễn. Không phải tất cả các hệ thống Li-ion đều hoạt động giống nhau.
0 ° C 98% (sau 1 năm) 94% (sau 1 năm)
25 ° C 96% (sau 1 năm) 80% (sau 1 năm)
40 ° C 85% (sau 1 năm) 65% (sau 1 năm)
60 ° C 75% (sau 1 năm) 60%
(sau 3 tháng)

Hầu hết các ion Li tích điện tới 4,20V / tế bào và mỗi lần giảm điện áp cực đại 0,10V / tế bào được cho là tăng gấp đôi tuổi thọ của chu kỳ. Ví dụ, một tế bào lithium-ion được sạc tới 4,20V / tế bào thường mang lại 300 chu kỳ500500. Nếu chỉ được sạc với 4,10V / cell, tuổi thọ có thể được kéo dài đến 600 chu kỳ 1.000.000; 4.0V / cell sẽ cung cấp 1.200 chiếc 2.000.000 và 3.90V / cell sẽ cung cấp 2.400 chiếc4.000.000 chu kỳ.

Về mặt tiêu cực, điện áp cao điểm thấp hơn làm giảm dung lượng pin dự trữ. Như một hướng dẫn đơn giản, cứ sau 70mV giảm điện áp sạc sẽ làm giảm công suất chung xuống 10%. Áp dụng điện áp cao điểm cho lần sạc tiếp theo sẽ khôi phục lại toàn bộ công suất.

Về tuổi thọ, điện áp sạc tối ưu là 3,92V / cell. Các chuyên gia pin tin rằng ngưỡng này giúp loại bỏ tất cả các căng thẳng liên quan đến điện áp; xuống thấp hơn có thể không đạt được lợi ích hơn nữa nhưng gây ra các triệu chứng khác. Bảng 4 tóm tắt năng lực như là một hàm của các mức phí. (Tất cả các giá trị được ước tính; Các tế bào năng lượng có ngưỡng điện áp cao hơn có thể bị lệch.)

Mức sạc (V / cell) Chu kỳ xả Năng lượng dự trữ sẵn có

Bảng 4: Chu kỳ phóng điện và công suất như là một hàm của giới hạn điện áp sạc. Mỗi 0,10V giảm xuống dưới 4,20V / tế bào nhân đôi chu kỳ nhưng giữ ít công suất hơn. Tăng điện áp trên 4,20V / cell sẽ rút ngắn tuổi thọ. Các bài đọc phản ánh sạc Li-ion thường xuyên đến 4,20V / tế bào.

Hướng dẫn: Mỗi lần giảm điện áp 70mV làm giảm công suất có thể sử dụng khoảng 10%.

Lưu ý: Sạc một phần phủ nhận lợi ích của Li-ion về mặt năng lượng riêng cao.

[4.30] [150 Led250] [110 Tiếng115%]
4,25 200 con350 105 thuật110%
4,20 300 L500500 100%
4,15 400 Lõi 700 90 thuật95%
4.10 600 trận1.000 85 mỏ90%
4.05 850 Gian1.500 80 mỏ85%
4,00 1.200.000.000.000 70 mỏ75%
3,90 2.400 con4.000 60 con65%
3,80 Xem chú thích 35 L4040%
3,70 Xem chú thích 30% và ít hơn


Thí nghiệm: Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, báo cáo rằng việc sử dụng mức sạc giảm 50% SOC làm tăng tuổi thọ của pin Li-ion của xe lên 44 44130%.

Hầu hết các bộ sạc cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính bảng và máy ảnh kỹ thuật số đều sạc Li-ion tới 4,20V / cell. Điều này cho phép dung lượng tối đa, bởi vì người tiêu dùng không muốn gì ngoài thời gian chạy tối ưu. Mặt khác, ngành công nghiệp quan tâm nhiều hơn đến tuổi thọ và có thể chọn ngưỡng điện áp thấp hơn. Vệ tinh và xe điện là những ví dụ như vậy.

Vì lý do an toàn, nhiều ion lithium không thể vượt quá 4,20V / cell. (Một số NMC là ngoại lệ.) Trong khi điện áp cao hơn tăng công suất, vượt quá điện áp sẽ rút ngắn tuổi thọ và ảnh hưởng đến an toàn. Hình 5 biểu thị số chu kỳ là một hàm của điện áp sạc. Ở 4.35V, số chu kỳ của một Li-ion thông thường bị cắt làm đôi.

Bên cạnh việc chọn ngưỡng điện áp phù hợp nhất cho một ứng dụng nhất định, Li-ion thông thường không nên duy trì ở trần điện áp cao 4,20V / cell trong thời gian dài. Bộ sạc Li-ion tắt dòng sạc và điện áp pin trở lại mức tự nhiên hơn. Điều này giống như thư giãn các cơ sau một bài tập vất vả.

Hình 6 minh họa các thử nghiệm ứng suất động (DST) phản ánh sự mất công suất khi đạp Li-ion ở các băng thông sạc và xả khác nhau. Mất công suất lớn nhất xảy ra khi thải Li-ion được sạc đầy đến 25% SoC (màu đen); tổn thất sẽ cao hơn nếu xả hoàn toàn. Đi xe đạp từ 85 đến 25 phần trăm (màu xanh lá cây) cung cấp thời gian phục vụ lâu hơn so với sạc tới 100 phần trăm và thải ra 50 phần trăm (màu xanh đậm). Mất công suất nhỏ nhất đạt được bằng cách sạc Li-ion đến 75 phần trăm và thải ra 65 phần trăm. Điều này, tuy nhiên, không sử dụng đầy đủ pin. Điện áp cao và tiếp xúc với nhiệt độ cao được cho là làm giảm pin nhanh hơn so với đạp xe trong điều kiện bình thường.

Lịch sự: ResearchGate - Mô hình hóa sự suy giảm pin Li-ion để đánh giá tuổi thọ tế bào.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment

Sự khác biệt tồn tại giữa Bảng 2 và Hình 6 về số lượng chu kỳ. Không có giải thích rõ ràng nào ngoài việc giả sử sự khác biệt về chất lượng pin và phương pháp kiểm tra. Phương sai giữa người tiêu dùng chi phí thấp và cấp công nghiệp bền cũng có thể đóng một vai trò. Duy trì công suất sẽ giảm nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn ở 20ºC.


Chỉ một chu kỳ đầy đủ cung cấp năng lượng được chỉ định của pin. Với một tế bào năng lượng hiện đại, đây là 250Wh / kg, nhưng vòng đời sẽ bị tổn hại. Tất cả đều là tuyến tính, dải trung bình kéo dài 85-25% làm giảm năng lượng xuống còn 60% và điều này tương đương với việc kiểm duyệt mật độ năng lượng cụ thể từ 250Wh / kg đến 150Wh / kg. Điện thoại di động là hàng tiêu dùng sử dụng toàn bộ năng lượng của pin. Các thiết bị công nghiệp, chẳng hạn như EV, thường giới hạn mức sạc xuống 85% và xả xuống 25% để kéo dài tuổi thọ pin.

Hình 7 ngoại suy dữ liệu từ Hình 6 để mở rộng vòng đời dự đoán của Li-ion bằng cách sử dụng chương trình ngoại suy giả định sự suy giảm tuyến tính của dung lượng pin với chu kỳ tăng dần. Nếu điều này là đúng, thì pin Li-ion đã được đạp trong vòng 75%, 25% SoC (màu xanh) sẽ giảm xuống còn 74% công suất sau 14.000 chu kỳ. Nếu pin này được sạc tới 85% với cùng độ phóng điện (màu xanh lá cây), công suất sẽ giảm xuống còn 64% ở 14.000 chu kỳ và với mức sạc 100% với cùng DoD (màu đen), công suất sẽ giảm xuống còn 48% . Không rõ lý do, tuổi thọ thực tế có xu hướng thấp hơn so với mô hình mô phỏng.


Pin Li-ion được sạc cho ba mức SoC khác nhau và vòng đời được mô hình hóa. Giới hạn phạm vi sạc kéo dài tuổi thọ pin nhưng giảm năng lượng cung cấp. Điều này phản ánh trọng lượng tăng và chi phí ban đầu cao hơn.
Với sự cho phép sử dụng. Nội suy / ngoại suy bởi OriginLab.

Các nhà sản xuất pin thường chỉ định tuổi thọ của pin với 80 DoD. Điều này là thực tế vì pin nên giữ lại một số dự trữ trước khi sạc trong sử dụng bình thường. (Xem BU-501: Khái niệm cơ bản về Xả , Điều gì tạo nên chu kỳ phóng điện) Số đếm chu kỳ trên DST (kiểm tra căng thẳng động) khác với loại pin, thời gian sạc, giao thức tải và nhiệt độ vận hành. Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm thường nhận được những con số không thể đạt được trong lĩnh vực này.

Người dùng có thể làm gì?

Điều kiện môi trường, không đi xe đạp một mình, chi phối tuổi thọ của pin lithium-ion. Tình huống xấu nhất là giữ pin sạc đầy ở nhiệt độ cao. Pin không chết đột ngột, nhưng thời gian chạy dần dần rút ngắn khi dung lượng giảm dần.

Điện áp sạc thấp hơn kéo dài tuổi thọ pin và xe điện và vệ tinh tận dụng lợi thế này. Các điều khoản tương tự cũng có thể được thực hiện cho các thiết bị tiêu dùng, nhưng chúng hiếm khi được cung cấp; lỗi thời có kế hoạch chăm sóc này.

Pin máy tính xách tay có thể được kéo dài bằng cách hạ thấp điện áp sạc khi kết nối với lưới điện xoay chiều. Để làm cho tính năng này trở nên thân thiện với người dùng, một thiết bị nên có chế độ Long Life Life giữ pin ở mức 4.05V / cell và cung cấp SoC khoảng 80 phần trăm. Một giờ trước khi đi du lịch, người dùng yêu cầu chế độ Full đầy đủ của chế độ điện tử để đưa mức sạc lên 4,20V / cell.

Câu hỏi được đặt ra, tôi có nên ngắt kết nối máy tính xách tay của mình khỏi lưới điện khi không sử dụng không? Một khoản phí nạp chỉ được áp dụng khi điện áp pin giảm đến một mức nhất định. Hầu hết người dùng không loại bỏ nguồn AC và thực hành này là an toàn.

Máy tính xách tay hiện đại chạy mát hơn so với các mô hình cũ và báo cáo cháy ít hơn. Luôn giữ cho luồng không khí không bị cản trở khi chạy các thiết bị điện có làm mát không khí trên giường hoặc gối. Một máy tính xách tay mát mẻ kéo dài tuổi thọ pin và bảo vệ các thành phần bên trong. Các tế bào năng lượng, mà hầu hết các sản phẩm tiêu dùng có, nên được sạc ở 1C hoặc ít hơn. Tránh cái gọi là bộ sạc cực nhanh yêu cầu sạc đầy Li-ion trong vòng chưa đầy một giờ.