Это руководство наглядно демонстрирует, как увеличить срок службы литиевых перезаряжаемых батарей, опираясь на знание о механизмах деградации химии.
Материал призван помочь инженерам, работающим с литий-железо-фосфатными (LiFePO4/LFP) аккумуляторами, но будет также полезен для пользователей всех систем Li-ion, а также объяснит принципы щадящего использования беспроводной электроники. Мы как производитель стремимся создать такие перезаряжаемые батареи, в долговечности которых не будет сомнений, поэтому применяем в своей работе отраслевые научные достижения.
⚡ Исследование 2024-го года провели учёные Университета Далхаузи (Канада). Оно фундаментально изменило понимание процессов старения LiFePO4-аккумуляторов.
📃 Ссылка на исследование DOI 10.1149/1945-7111/ad6cbd: «Влияние рабочего диапазона заряда на срок службы LiFePO4-аккумуляторов с графитовым анодом», 2024 год, (версия в PDF-файле).
В чём суть исследования?
Учёные изучили влияние SoC (State of Charge, степень заряда, далее указываем аббревиатуру) на скорость деградации LiFePO4-аккумуляторов. Они получили практические результаты. Оказалось, что чем ближе SoC к крайним значениям (0% или 100%), тем быстрее изнашивается батарея.
Что происходит внутри батареи, когда её заряд:
- Высокий (SoC около 100%). При полном заряде, особенно при высоких температурах, ускоряются паразитные химические реакции: рост SEI (защитной плёнки на электроде), разложение электролита, образование вредных веществ (например, DMOHC) — обо всём этом подробнее далее. Кроме того, высокий заряд способствует растворению железа, которое, оседая на отрицательном электроде, ускоряет деградацию.
- Низкий (SoC около 0%). Глубокий разряд приводит к необратимым изменениям в структуре электродов и к потере ёмкости.
Конкретные цифры (замер для LFP/AG1 при 55°C)
В таблице указана скорость деградации, соответственно, чем её значение меньше, тем лучше! Например, 0%→25% – более щадящий режим, чем 75%→100% – самый агрессивный.
Эта таблица в очередной раз нам напоминает, что специально заряжать до 100% литиевые батареи каждый день не нужно. 80% достаточно.
👇 Теперь посмотрим, что это значит — как использовать на практике.
Секрет прост: не надо мучать батарею крайностями
Деградация LiFePO4 аккумуляторов — сложный процесс. Он зависит буквально от всего подряд (температура, электрохимические стрессы, физические воздействия, перегрузки и так далее). Факторов изобилие.
🔻 Если вы хотите, чтобы аккумулятор служил долго, ему нужны конкретные противодействия механизмам старения. Вот, на что исследователи предлагают обратить особое внимание при проектировании батарей.
Рост SEI (Solid Electrolyte Interphase)
SEI — это защитная плёнка на поверхности отрицательного электрода (графит). Её рост неизбежен и неумолим. Но темпы можно замедлить.
При использовании всей ёмкости батареи (то есть при высоком SoC около 100%) в условиях высокой температуры около +45°C (чему способствует, например, постоянный заряд и микроциклы) рост SEI ускоряется, что приводит к потере активного лития и снижению ёмкости.
Добавки (присадки) в электролит (например, виниленкарбонат – VC) замедляют рост SEI. Их количество ограничено. При частой зарядке до 100% такие добавки быстро истощаются в химическом составе. Со временем их влияние на электрохимическую систему уже несущественное.
Растворение железа
При высоких уровнях заряда (SoC 75%-100%) в условиях высокой температуры около +45°C происходит растворение железа из положительного электрода (LiFePO4).
Ионы железа мигрируют к отрицательному электроду, где они реагируют с электролитом и способствуют образованию дополнительного SEI с потерей лития. Этот процесс ускоряется в присутствии алкоксидов лития (образуются при разложении электролита при том же высоком SoC).
Образование DMOHC (dimethyl-2,5-dioxahexane carboxylate)
DMOHC — продукт разложения электролита. Количество нежелательной химии увеличивается при высоком SoC и указывает на недостаточную пассивацию поверхности отрицательного электрода.
Термодинамические факторы
Впрочем, уже давно избитая и очевидная всем тема.
- Высокая (более +45°C) или чрезмерно низкая (для литий-ионной технологии менее +5°C) температура ускоряют все процессы деградации в геометрической прогрессии;
- чем более экстремальными становятся температурные условия (предел для большинства Li-ion и LiFePO4 в частности — -40°C и +60°C), тем более непредсказуемыми и стремительными становятся процессы, вызывающие износ.
Поэтому контроль температуры критически важен для продления срока службы батареи.
Практические рекомендации для инженеров и производителей
1. Оптимизируйте диапазон SoC.
- Где возможно — добавьте ёмкость за счёт увеличения количества элементов с диапазоном использования до 80% ёмкости каждой ячейки.
- Там, где устройства предусматривают длительное нахождение в режиме ожидания или хранения (системы оповещения, аварийных уведомлений и так далее) – SoC оптимально настроить на значения 40%..60%.
- Тем самым инженер снижает риски отказа батареи LiFePO4, для которой запланирован эксплуатационный срок 15+ лет.
2. Настройте пределы заряда в BMS (Battery Management System)
- Современные BMS позволяют настраивать предельные значения заряда и разряда, а также целевой SoC.
- Используйте эти возможности для оптимизации процесса зарядки.
- Например, ограничение максимального заряда до 80% значительно продлит срок службы.
- Реализуйте алгоритмы «just-in-time»* зарядки — то есть планируйте/автоматизируйте зарядку так, чтобы аккумулятор достигал нужного SoC непосредственно перед использованием.
- Минимизируйте время, проведённое при высоком SoC.
* - Такая функция ПО уже активно используется производителями смартфонов, например.
3. Откажитесь от устаревших и некачественных материалов и конструкций
- Всегда оптимизируйте конструкцию аккумулятора для эффективного отвода тепла, чтобы снизить риски преждевременного износа.
- Избегайте «горячих» компонентов, то есть с высоким внутренним сопротивлением, низкокачественных.
- Рекомендации производителя по зарядке для конкретной модели устройства или аккумулятора, который вы разрабатываете или пытаетесь повторить, зачастую слишком общие.
- Часто сам производитель указывает, что может изменять спецификации на своё усмотрение без предупреждения потребителя.
- Компоненты (в том числе сами элементы с электродами и сепараторами) следует выбирать на основе качества и возможности обратной связи поставщика (производителя).
- Форумы и сообщества пользователей могут быть ценным источником информации о практических аспектах эксплуатации и оптимизации зарядки.
4. Добавки в электролит
- Изучите, какие в электролите выбранных элементов есть добавки.
- Например, виниленкарбонат (VC) может замедлить рост SEI и продлить срок службы.
- Подбирайте концентрацию присадок так, чтобы учитывать их взаимодействие с другими компонентами и условиями работы в конкретной модели устройства.
- Например, нет никакого смысла клиентам переплачивать за VC, который мгновенно разрушится, если батарею планируется использовать при высоких значениях заряда и постоянно на зарядке (простейшие ИБП).
5. Контроль температуры
Это основа качества. Обеспечьте эффективное охлаждение аккумуляторов, особенно при высоких токах заряда/разряда.
6. Тестирование и моделирование
- Проводите тщательные испытания аккумуляторов в различных условиях эксплуатации.
- Иногда это приходится делать в ущерб сроков — предупреждайте своих заказчиков сразу, что называется «на берегу», если есть риски задержки проекта.
- Используйте математическое моделирование для прогнозирования и оптимизации рабочих параметров, чтобы сокращать избыточные нагрузки на тестовое оборудование.
Заключение
Целевой срок службы для LiFePO4-батарей — более 15 лет. Исследование раскрывает особенности механизмов, из-за которых растут риски преждевременного износа.
Эти знания позволяют оптимизировать конструкцию аккумулятора, выбирать материалы и добавки к электролиту, совершенствовать системы теплоотвода и управления зарядом (BMS). Всё это позволяет уже сейчас создавать LiFePO4-аккумуляторы, значительно превосходящие по долговечности китайские рядовые аналоги.
- Прежде всего, это контроль температуры. Перегрев — враг всех литий-ионных систем без исключения. Избегайте его всеми способами.
- Нужно стремиться к частичной зарядке. То есть принцип здесь как у смартфонов — более частая частичная зарядка предпочтительнее редкой полной.
- Время нахождения в области высокого заряда также нужно снизить. LiFePO4 лучше переносят быструю зарядку и оставление на зарядке при полном уровне заряда (простите за однокоренные слова, но важно объяснить суть), если сравнивать с другими типами литий-ионных аккумуляторов. Всё же, это ускоряет деградацию.
Мы искренне стремимся создавать надёжные и долговечные аккумуляторы, в том числе LiFePO4-батареи, чтобы они заслуживали высокой оценки как от инженеров, так и от самих пользователей.
👉 Надеемся, что вам был полезен этот материал. Ссылку на канадское исследование прикрепили в начале статьи.
👍 Поставьте лайк, если понравился наш подход.
✍ Подпишитесь на канал — мы делимся только полезными сведениями об аккумуляторах.
