ANN ARBOR – Baterie litowo-jonowe są obecnie wszędzie, używane we wszystkim, od telefonów komórkowych i laptopów po elektronarzędzia bezprzewodowe i pojazdy elektryczne.
I chociaż są one najszerzej stosowaną technologią mobilnego magazynowania energii, wśród użytkowników panuje zamieszanie co do najlepszych sposobów przedłużenia żywotności baterii litowo-jonowych.
Aby pomóc wyjaśnić tę kwestię, naukowcy z Uniwersytetu Michigan przebrnęli przez dziesiątki artykułów naukowych i instrukcji obsługi producentów, a także informacje na stronach internetowych wspierających klientów, aby stworzyć listę dziewięciu najlepszych praktyk przedłużania żywotności baterii litowo-jonowych.
Dziewięć kluczy do wydłużenia żywotności baterii litowo-jonowych. Image credit: Center for Sustainable Systems at U-M School for Environment and Sustainability.
„Dzięki zminimalizowaniu narażenia na warunki, które przyspieszają degradację, baterie mogą działać dłużej. A to ma pozytywny wpływ na środowisko, ponieważ produkcja baterii jest źródłem emisji gazów cieplarnianych i wielu innych zanieczyszczeń” – powiedział starszy autor badania Greg Keoleian, dyrektor Centrum Zrównoważonych Systemów U-M w Szkole Środowiska i Zrównoważonego Rozwoju.
„Dodatkowo, istnieją znaczące zachęty finansowe dla użytkowników, aby unikać niekorzystnych warunków, ponieważ koszt baterii litowo-jonowych może wynosić od 5% do ponad 50% kosztów produktu.”
Wyniki badań zespołu U-M zostały opublikowane 15 lutego w Journal of Energy Storage.
Wiele z zalecanych praktyk dotyczy trzech głównych zmiennych, które mają wpływ na zdrowie baterii: temperatury, stanu naładowania i natężenia prądu.
Oto kilka ogólnych wskazówek od naukowców z U-M, aby zmaksymalizować żywotność baterii litowo-jonowych, wraz z kilkoma konkretnymi zaleceniami od producentów:
- Unikaj skrajnych temperatur, zarówno wysokich jak i niskich, kiedy używasz lub przechowujesz baterie litowo-jonowe. Podwyższona temperatura może przyspieszyć degradację prawie każdego komponentu baterii i może prowadzić do znacznego zagrożenia bezpieczeństwa, w tym pożaru lub eksplozji. Jeśli laptop lub telefon komórkowy jest wyraźnie gorący podczas ładowania, należy odłączyć go od zasilania. Minimalizuj narażenie na niskie temperatury, zwłaszcza podczas ładowania.
W przypadku pojazdów elektrycznych prawie wszyscy producenci zamieszczają ostrzeżenia dotyczące wysokich temperatur w swoich instrukcjach obsługi. Niektórzy z nich zalecają parkowanie w cieniu i utrzymywanie pojazdu podłączonego do prądu w czasie upałów, co pozwala systemowi chłodzenia akumulatora działać w razie potrzeby. Podłączenie pojazdu do prądu jest również zalecane w zimne dni, aby system ogrzewania akumulatora mógł pracować na zasilaniu z sieci energetycznej.
- Zminimalizuj ilość czasu, jaki akumulator spędza w stanie 100% lub 0% naładowania. Zarówno ekstremalnie wysokie, jak i niskie stany naładowania obciążają akumulatory. Rozważ zastosowanie częściowego ładowania, które przywróci baterię do 80% SoC, a nie do 100%. Jeśli nie jest to możliwe, odłącz urządzenie, gdy tylko osiągnie 100%.
Samsung i LG sugerują, że ich telefony powinny być ładowane, gdy osiągną 20% stan naładowania. Nokia i Sony wspominają o potencjalnym uszkodzeniu ich telefonów, jeśli urządzenie zostanie pozostawione do ładowania po osiągnięciu 100%.
Wskazówki jak wydłużyć żywotność baterii litowo-jonowych w laptopach. Image credit: Center for Sustainable Systems at U-M School for Environment and Sustainability.
W większości laptopów wewnętrzny system zarządzania baterią przestanie ładować, gdy urządzenie osiągnie 100% stanu naładowania, i nie wznowi ładowania, dopóki laptop nie osiągnie 95% SoC. Mimo to wielu producentów laptopów przestrzega przed pozostawieniem komputera podłączonego do sieci po zakończeniu ładowania.
- Używanie „szybkich ładowarek” jest wygodne, ale spowoduje szybszą degradację baterii litowo-jonowej niż ładowanie standardowe. Zbyt szybkie rozładowywanie baterii również prowadzi do jej degradacji, poprzez wiele z tych samych mechanizmów. W przypadku telefonów komórkowych i laptopów, obniżenie jasności ekranu, wyłączenie usług lokalizacyjnych i rezygnacja z aplikacji zużywających dużo energii może pomóc spowolnić tempo rozładowywania.
- Niektórzy producenci elektronarzędzi bezprzewodowych zalecają użytkownikom, aby nie przechowywać baterii w ładowarce, podczas gdy inni przestrzegają przed całkowitym rozładowaniem baterii. Niektórzy zalecają minimalną temperaturę otoczenia 32 F podczas ładowania akumulatora, a maksymalną 104 stopnie.
- Unikaj używania lub przechowywania akumulatorów litowo-jonowych w środowisku o wysokiej wilgotności i unikaj uszkodzeń mechanicznych, takich jak przebicie.
Komórka akumulatora składa się z elektrody dodatniej (katody), elektrody ujemnej (anody) i elektrolitu, który reaguje z każdą elektrodą. Baterie litowo-jonowe nieuchronnie ulegają degradacji wraz z upływem czasu i użytkowaniem. Dotyczy to prawie każdego komponentu, w tym anody, katody, elektrolitu, separatora i kolektorów prądu.
Istnieją dwie główne formy degradacji baterii: zanik pojemności i zanik mocy. Zanik pojemności to spadek ilości energii, którą bateria może zmagazynować, a zanik mocy to spadek ilości energii, którą dostarcza.
Wydłużenie żywotności baterii zmniejsza koszty i obciążenia środowiskowe związane z produkcją nowych baterii – w tym zużycie materiałów, wpływ górnictwa i emisję gazów cieplarnianych – a także utylizację zużytych baterii.
„Ponieważ branże elektroniki mobilnej i pojazdów elektrycznych nadal się rozwijają, nawet niewielkie usprawnienia w zakresie wydłużania żywotności będą miały znaczące korzyści dla środowiska” – napisali autorzy artykułu w Journal of Energy Storage.
Oprócz literatury naukowej, badacze przeanalizowali publicznie dostępne informacje od producentów, poszukując instrukcji, wskazówek, ostrzeżeń lub porad dotyczących użytkowania i konserwacji akumulatorów litowo-jonowych.
Wśród tych firm znalazło się 10 producentów telefonów komórkowych (Apple, Google, HTC, Huawei, LG, Motorola, Nokia, Samsung, Sony i ZTE), 10 producentów laptopów (Acer, Apple, ASUS, Dell, HP, Lenovo, LG, Microsoft, Samsung i Toshiba), czterech producentów elektronarzędzi (Bosch, DeWalt, Makita i Milwaukee Tool) oraz 10 producentów pojazdów elektrycznych (BMW, Chevrolet, Ford, Fiat, Honda, Hyundai, Kia, Mercedes-Benz, Nissan i Tesla).
Autorami artykułu w Journal of Energy Storage, oprócz Keoleiana, są Maxwell Woody, Maryam Arbabzadeh i Geoffrey Lewis z U-M Center for Sustainable Systems oraz Anna Stefanopoulou z U-M Energy Institute.
Pracę wspierała Responsible Battery Coalition, koalicja firm, naukowców i organizacji zaangażowanych w odpowiedzialne zarządzanie akumulatorami dnia dzisiejszego i jutra.
„W miarę jak naród i świat przestawiają się na gospodarki zasilane bateriami, niezwykle ważne jest przedłużenie żywotności wszystkich rodzajów baterii, szczególnie tych w naszych samochodach i ciężarówkach”, powiedział Steve Christensen, dyrektor wykonawczy Koalicji Odpowiedzialnych Baterii.
„Praca wykonana przez tak szanowaną instytucję badawczą jak Uniwersytet Michigan jest ważnym pierwszym krokiem w kierunku stworzenia pokoleniowej zmiany w sposobie użytkowania i traktowania baterii przez konsumentów.”