ANN ARBOR-Lithium-ion batterijen zijn tegenwoordig overal te vinden, van mobiele telefoons en laptops tot draadloos elektrisch gereedschap en elektrische voertuigen.
En hoewel ze de meest toegepaste technologie voor mobiele energieopslag zijn, heerst er onder gebruikers veel verwarring over de beste manieren om de levensduur van lithium-ion batterijen te verlengen.
Om duidelijkheid te scheppen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Michigan tientallen academische papers en gebruikershandleidingen van fabrikanten doorgeploegd, evenals informatie op websites voor klantenondersteuning, om een lijst van negen beste praktijken te ontwikkelen voor het verlengen van de levensduur van lithium-ion-batterijen.
Negen sleutels tot verlenging van de levensduur van lithium-ion-batterijen.
“Door de blootstelling aan de omstandigheden die de afbraak versnellen tot een minimum te beperken, kunnen batterijen langer meegaan. En dit heeft een positief effect op het milieu, aangezien de productie van batterijen een bron is van broeikasgasemissies en vele andere verontreinigende stoffen,” aldus senior auteur van de studie Greg Keoleian, directeur van het U-M Center for Sustainable Systems aan de School for Environment and Sustainability.
“Bovendien zijn er aanzienlijke financiële prikkels voor gebruikers om ongunstige omstandigheden te vermijden, aangezien de kosten van lithium-ion batterijen kunnen variëren van 5% tot meer dan 50% van de kostprijs van een product.”
De bevindingen van het U-M-team zijn op 15 februari gepubliceerd in het Journal of Energy Storage.
Veel van de aanbevolen praktijken hebben betrekking op de drie belangrijkste variabelen die van invloed zijn op de gezondheid van de batterij: temperatuur, laadtoestand en stroom.
Hier volgen enkele algemene richtlijnen van de U-M onderzoekers om de levensduur van lithium-ion batterijen te maximaliseren, samen met enkele specifieke aanbevelingen van fabrikanten:
- Vermijd extreme temperaturen, zowel hoge als lage, wanneer u lithium-ion batterijen gebruikt of opslaat. Hoge temperaturen kunnen de degradatie van bijna elke batterijcomponent versnellen en kunnen leiden tot aanzienlijke veiligheidsrisico’s, waaronder brand of explosie. Als een laptop of mobiele telefoon tijdens het opladen merkbaar heet wordt, trek dan de stekker uit het stopcontact. Vermijd blootstelling aan lage temperaturen, vooral tijdens het opladen.
Voor elektrische voertuigen hebben bijna alle fabrikanten waarschuwingen over hoge temperaturen in hun gebruikershandleidingen opgenomen. Sommige fabrikanten adviseren om bij warm weer in de schaduw te parkeren en de stekker in het stopcontact te laten zitten, zodat het koelsysteem van de accu naar behoefte kan werken. Ook bij koud weer is het aan te raden de stekker in het stopcontact te steken, zodat het verwarmingssysteem van de accu op netstroom kan werken.
- Beperk de tijd dat de accu 100% of 0% is opgeladen. Zowel extreem hoge als extreem lage “laadstatussen” belasten batterijen. Overweeg een gedeeltelijke oplading waarbij de batterij wordt hersteld tot 80% SoC, in plaats van 100%. Als dat niet mogelijk is, trek dan de stekker uit het stopcontact zodra de batterij de 100% heeft bereikt.
Samsung en LG suggereren dat hun telefoons moeten worden opgeladen zodra de batterij de 20% heeft bereikt. Nokia en Sony maken melding van mogelijke schade aan hun telefoons als het apparaat wordt opgeladen nadat het de 100% heeft bereikt.
Tips voor het verlengen van de levensduur van lithium-ion-batterijen in laptops. Image credit: Center for Sustainable Systems at U-M School for Environment and Sustainability.
In de meeste laptops zal een intern batterijbeheersysteem het opladen stoppen zodra het apparaat 100% laadtoestand heeft bereikt, en het zal het opladen pas hervatten wanneer de laptop 95% SoC heeft bereikt. Toch waarschuwen veel laptopfabrikanten ervoor de computer niet aangesloten te laten nadat deze volledig is opgeladen.
- Het gebruik van “snelladers” is handig, maar zal een lithium-ionbatterij sneller degraderen dan standaard opladen. Het te snel ontladen van een batterij leidt ook tot degradatie van de batterij, via veel van dezelfde mechanismen. Voor mobiele telefoons en laptops kunnen het verlagen van de helderheid van het scherm, het uitschakelen van locatiediensten en het stoppen met toepassingen die veel stroom verbruiken, helpen om de ontlaadsnelheid te vertragen.
- Sommige fabrikanten van draadloos elektrisch gereedschap adviseren gebruikers om batterijen niet in de oplader te bewaren, terwijl anderen waarschuwen tegen het volledig leegmaken van de batterij. Een paar adviseren een minimale omgevingstemperatuur van 32 F bij het opladen van de batterij, en een maximum van 104 graden.
- Vermijd het gebruik of de opslag van lithium-ion batterijen in omgevingen met een hoge vochtigheidsgraad, en vermijd mechanische schade zoals doorboren.
Een batterijcel bestaat uit een positieve elektrode (kathode), een negatieve elektrode (anode) en een elektrolyt dat reageert met elke elektrode. Lithium-ionbatterijen worden onvermijdelijk slechter naarmate ze langer worden gebruikt. Bijna elk onderdeel wordt aangetast, inclusief de anode, kathode, elektrolyt, separator en stroomcollectoren.
Er zijn twee hoofdvormen van batterijdegradatie: capaciteitsdegradatie en vermogensdegradatie. Capacity fade is een afname van de hoeveelheid energie die een batterij kan opslaan, en power fade is een afname van de hoeveelheid stroom die de batterij levert.
Het verlengen van de levensduur van batterijen verlaagt de kosten en de milieubelasting die gepaard gaan met de productie van nieuwe batterijen – waaronder materiaalverbruik, mijneffecten en broeikasgasemissies – evenals de verwijdering van gebruikte batterijen.
“Aangezien de mobiele elektronica- en EV-industrie blijven groeien, zullen zelfs kleine verbeteringen in de levensduurverlenging aanzienlijke milieuvoordelen opleveren,” schreven de auteurs van het Journal of Energy Storage paper.
Naast de academische literatuur die zij bestudeerden, onderzochten de onderzoekers openbaar beschikbare informatie van fabrikanten, op zoek naar instructies, begeleiding, waarschuwingen of tips met betrekking tot het gebruik en onderhoud van lithium-ion batterijen.
Daaronder bevonden zich 10 fabrikanten van mobiele telefoons (Apple, Google, HTC, Huawei, LG, Motorola, Nokia, Samsung, Sony en ZTE), 10 fabrikanten van laptops (Acer, Apple, ASUS, Dell, HP, Lenovo, LG, Microsoft, Samsung en Toshiba), vier fabrikanten van elektrisch gereedschap (Bosch, DeWalt, Makita en Milwaukee Tool), en 10 fabrikanten van elektrische voertuigen (BMW, Chevrolet, Ford, Fiat, Honda, Hyundai, Kia, Mercedes-Benz, Nissan en Tesla).
Auteurs van het Journal of Energy Storage paper, naast Keoleian, zijn Maxwell Woody, Maryam Arbabzadeh en Geoffrey Lewis van het U-M Center for Sustainable Systems en Anna Stefanopoulou van het U-M Energy Institute.
Het werk werd ondersteund door de Responsible Battery Coalition, een coalitie van bedrijven, academici en organisaties die zich inzetten voor een verantwoord beheer van de batterijen van vandaag en morgen.
“Nu de natie en de wereld verschuiven naar economieën die worden aangedreven door batterijen, is het van het grootste belang dat we de levensduur van alle soorten batterijen verlengen, met name die in onze auto’s en vrachtwagens,” zei Steve Christensen, uitvoerend directeur van de Responsible Battery Coalition.
“Dit werk door zo’n gerespecteerd onderzoeksinstituut als de Universiteit van Michigan is een belangrijke eerste stap in de richting van het creëren van een generatiewisseling in de manier waarop consumenten batterijen gebruiken en behandelen.”