Як продовжити термін служби літієвої батареї

Іони літію на аноді рухаються крізь електроліт до катода, де вони з'єднуються з електронами, генеруючи електричний заряд, який дозволяє йому забезпечувати живлення, коли це необхідно. Так створюється унікальна система живлення акумулятора.

Останні досягнення у виборі кремнієвого анодного матеріалу спрямовані на запобігання затриманню Li-іонів у стінках електроліту та покращення їхньої оборотності [155].

Довший термін служби

Літієві батареї щодня живлять мільйони життів - від ноутбуків і мобільних телефонів до гібридних та електромобілів. Їхні переваги - висока щільність енергії, легка вага, висока швидкість заряджання та довший термін служби, ніж у свинцево-кислотних акумуляторів. Ключ до продовження терміну служби літієвих батарей полягає в розумінні того, як ваша літієва батарея деградує з часом, і вжитті проактивних заходів для продовження терміну служби - це включає в себе розуміння того, який тип літієвої батареї потребує більш специфічного догляду з точки зору швидкості зарядки, глибини розряду і т.д., а також уникнення поширених помилок, таких як перезарядка і зберігання при підвищеній температурі.

Літій-іонні акумулятори з часом поступово вичерпують свою ємність через хімічні реакції, які руйнують електроди та електроліт, збільшуючи внутрішній опір і скорочуючи час їхньої роботи. Цей процес відбувається незалежно від того, чи ваш акумулятор регулярно їздить на велосипеді, чи лежить без діла - однак періодичне циклічне заряджання та зберігання в прохолодному місці може значно сповільнити цей процес деградації.

Кількість циклів роботи літієвих батарей залежить від умов заряджання та розряджання, а також робочої температури. Споживчі пристрої зазвичай заряджають їх до 4,20 В на елемент, щоб максимізувати ємність і час роботи; втім, для промислових застосувань часто використовують нижчі пороги напруги, як у супутниках або електромобілях, для збільшення терміну служби.

Для оптимального терміну служби акумулятора уникайте швидких зарядних пристроїв, оскільки вони швидко нагріваються і руйнують батареї. Крім того, обмежте частоту розряджання акумулятора, оскільки це збільшує його внутрішній опір і скорочує час роботи та термін служби.

Літієві батареї глибокого циклу Ionic мають середній термін служби від 3000 до 5000 повних циклів з залишковою ємністю 80%, що досягається завдяки використанню тільки високоякісних літій-залізо-фосфатних матеріалів (LiFePO4), розроблених для сумісності з різними навантаженнями і зарядними пристроями, а також Bluetooth-моніторингу, який надає інформацію про стан заряду в режимі реального часу і розраховує залишковий час роботи, забезпечуючи душевний спокій нашим клієнтам, які планують роботу на морі, і отримують батарею в той момент, коли вона їм найбільше необхідна.

Вища щільність енергії

Літієві батареї мають високу щільність енергії, що означає, що вони зберігають значну кількість енергії в невеликому просторі (цитуючи професора Пола Крістенсена). Щоб перетворити хімічну енергію в електричний струм, іони літію повинні рухатися між анодом і катодом через анодно-катодний пористий сепаратор і шар електроліту; багаторазове заряджання і розряджання з часом значно покращує продуктивність.

На ринку представлені різні типи літієвих акумуляторів, кожен з яких має власну внутрішню хімічну структуру. Хоча деякі з них можуть коштувати дорожче, ніж інші, всі вони мають вищу щільність енергії, ніж свинцево-кислотні акумулятори - це означає, що вони зберігають більше електричного заряду на кілограм або об'єм, а отже, забезпечують більший запас ходу або більше годин роботи електроінструменту без значного збільшення розміру або ваги.

Технологія акумуляторів постійно розвивається, а дослідники постійно шукають шляхи вдосконалення існуючих компонентів. Професор Корі Кобб з Массачусетського технологічного інституту та її лабораторія інтегрованого виробництва зосереджені на розробці 3D-архітектури електродів, яка спрощує виробництво акумуляторів; Джей Девін Маккензі з Массачусетського технологічного інституту та факультету матеріалознавства та інженерії (MSE) також досліджує структурно-інженерні сплави сурми в якості матеріалів для акумуляторних батарей.

Щільність енергії - один з ключових показників будь-якого акумулятора. Вона вимірює, скільки енергії може утримувати елемент або батарея на одиницю маси або об'єму, що робить її особливо важливою для таких застосувань, як електромобілі, яким потрібен великий запас ходу при прийнятних вагових і габаритних вимогах.

Батареї з вищою щільністю енергії забезпечують довший час роботи без підзарядки, допомагаючи зменшити споживання пального та витрати на обслуговування, а також дозволяють компактніше вбудовувати батареї меншого розміру в конструкцію автомобіля, забезпечуючи більшу потужність для прискорення або виконання завдань з високим навантаженням.

Батареї з вищою щільністю енергії дозволяють значно зменшити їхній загальний розмір і вагу, що робить їх особливо корисними для портативної електроніки та електромобілів, де кожен кілограм має значення. На жаль, акумулятори з високою щільністю можуть мати неідеальний профіль напруги для певних застосувань і не забезпечувати швидкий сплеск енергії, коли це необхідно.

Швидше заряджання

Оскільки все більше людей переходять на електромобілі, попит на літієві батареї, які швидко заряджаються, стрімко зростає. У той час як традиційні свинцево-кислотні батареї досягають лише 50% глибини розряду, літій-іонні батареї мають глибину розряду 99%, що робить їх ідеальними для енергоємних застосувань, таких як електромобілі. Швидша швидкість заряджання також призводить до скорочення часу перезарядки.

Літій-іонні акумулятори використовують два електроди, що складаються з оксиду металу та пористого вуглецю для зберігання енергії відповідно. Під час заряджання іони вільно рухаються між цими електродами через електроліт і сепаратор; під час розряджання анод зазнає окислення і втрати електронів, а під час перезаряджання вони повертаються назад на катод, і цей цикл триває нескінченно довго.

Інженери розробили матеріали, такі як кремній, германій та легуючі матеріали з сурмою, які можуть краще зберігати іони літію, ніж графітові аноди, шляхом інтеркаляції цих іонів між шарами графену. На жаль, ці легуючі матеріали фізично змінюються під час циклів заряду/розряду, що може призвести до втрати продуктивності або виходу з ладу.

Дослідники Корнельського університету відкрили метод мінімізації змін фізичного об'єму, що уможливило створення високоефективних літієвих акумуляторів зі швидшою швидкістю заряджання. Додавши індій (який зазвичай використовується для покриття сенсорних екранів), їхня команда зменшила енергетичні бар'єри між електродами, що полегшило рух іонів між електродами.

Дослідники застерігають, що важливо пам'ятати про компроміси, пов'язані зі швидкою зарядкою. Швидка зарядка вимагає значно більшого струму і потужності, що може значно скоротити термін служби батареї - особливо це стосується літій-іонних акумуляторів.

Експерти радять дотримуватися рекомендованих виробниками акумуляторів норм заряду, щоб максимально продовжити термін служби батареї: Power Cell рекомендується заряджати при температурі 1C, щоб не допустити перенапруги на аноді та катоді; однак для водіїв електромобілів (EV) це не завжди можливо через обмежену відстань, на яку можна проїхати з літій-іонними акумуляторами.

Нижча вартість

Літієві батареї мають багато переваг над свинцево-кислотними батареями, в тому числі і в ціні. Оскільки літієві елементи служать довше, важать менше і працюють ефективніше, їхня економічність робить їх найкращою інвестицією в довгостроковій перспективі, заощаджуючи ваші гроші при кожній покупці або заміні, а також на паливі для двигунів або генераторів.

Літій-іонні акумулятори стали неймовірно популярним джерелом живлення для побутової електроніки, гібридних транспортних засобів та електромобілів завдяки своїй невеликій вазі та високій щільності енергії. Їх конструкція передбачає збільшення ємності при одночасному значному зниженні вартості. Така конструкція дозволила збільшити величезні потужності при одночасному значному зниженні витрат.

З розвитком технологій виробники змогли ще більше знизити витрати, використовуючи кращі матеріали та оптимізуючи виробничі процеси. Методи ощадливого виробництва, які зосереджені на мінімізації відходів при оптимізації продуктивності, є особливо перспективними методами зниження витрат, пов'язаних з виробництвом акумуляторів.

Питання безпеки залишаються однією з ключових перешкод для широкого впровадження літій-іонних акумуляторів, причому тепловий розряд (серія хімічних реакцій, що призводять до пожежі) є однією з головних проблем. Літій-іонні батареї можуть бути вразливими до цієї проблеми, якщо на їхніх катодах або анодах з'являються тріщини або короткі замикання; проте вдосконалення хімії елементів і технологій пакування зробили ці батареї безпечнішими, ніж будь-коли.

Літій-іонні акумулятори стали найкращим вибором для ДБЖ завдяки нижчій сукупній вартості володіння, особливо для трифазних ДБЖ, які, як правило, більші та дорожчі, ніж їхні однофазні аналоги.

З розвитком літієвої промисловості нові інновації, такі як сухий літієвий полімер, відкривають нові захоплюючі шляхи для хімії та дизайну акумуляторів. Ці досягнення обіцяють довший термін служби при більшій глибині розряду без ризику теплового виходу або інших проблем безпеки - це означає, що ми можемо побачити, як літій-іонні акумулятори стануть ще більш поширеними в застосуванні, ніж раніше.