Hogyan hosszabbítható a lítiumion-akkumulátor élettartama? Mélykisütés, hő és töltési feszültség

Röviden: a lítiumion akkumulátor élettartamát nemcsak a ciklusok száma határozza meg, hanem az is, milyen mélyen sütik ki, milyen hőmérsékleten tartják, és mekkora feszültségre töltik. A Battery University általános ismertetése főleg a kobaltalapú lítiumion akkumulátorokra vonatkozik.

Hány ciklust bír?

A lítiumion akkumulátor az ionok mozgásán alapul a pozitív és a negatív elektróda között. Elméletben egy ilyen mechanizmus örökké működhetne, de a ciklizálás, a magas hőmérséklet és az öregedés idővel rontja a teljesítményt. A gyártók konzervatívan járnak el, és a fogyasztói termékekben a lítiumion élettartamát többnyire 300–500 kisütési-töltési ciklusban adják meg. A forrás szerint 2020-ban a kis hordható akkumulátorok kb. 300 ciklust adnak, a mai okostelefonoknál az elvárás 800 ciklus vagy több, az elektromos autók akkumulátoránál pedig az „egymillió mérföldes” akkumulátor 5000 ciklusnak felel meg.

A ciklusok számlálása azonban nem egyértelmű, mert a kisütés mélysége változó, és nincs pontosan meghatározva, mi számít ciklusnak. Az akkumulátor teljesítményének legfontosabb mutatója a kapacitás. A belső ellenállás és az önkisülés is szerepet játszik, de a modern lítiumionnál kevésbé jelzik előre az élettartam végét.

Kisütési mélység

A kisütés mélysége (DoD) határozza meg a ciklusszámot: minél kisebb a kisütés, annál tovább tart az akkumulátor. Ha lehetséges, el kell kerülni a teljes kisütést, és gyakrabban kell tölteni két használat között. A részleges kisütés a lítiumionnál nem baj: nincs „memóriahatás”, és nincs szükség rendszeres teljes kisütésre. Kivétel lehet az okos akkumulátorok töltöttségmérőjének időnkénti kalibrálása.

Hő és magas töltöttség

A lítiumion stresszt szenved a hőtől, és attól is, ha a cellát magas töltési feszültségen tartják. A forrás szerint 30 °C fölött emelt hőmérsékletről beszélnek, a legtöbb lítiumionnál pedig 4,10 V/cella fölött magas a feszültség. A magas hőmérséklet és az elnyújtott, teljes töltöttség néha stresszesebb, mint maga a ciklizálás. A legrosszabb eset a teljesen feltöltött akkumulátor tartása magas hőmérsékleten. Az akkumulátor nem hal meg hirtelen: a kapacitása fokozatosan csökken, és ezzel a használati idő is.

A töltési feszültség hatása

A legtöbb lítiumion 4,20 V/cellára töltődik, és a forrás szerint a csúcs-töltési feszültség minden 0,10 V/cella csökkentése megduplázza a ciklusszámot. Példa: a 4,20 V/cellára töltött cella tipikusan 300–500 ciklust ad. 4,10 V/cellánál az élettartam 600–1000 ciklusra, 4,0 V/cellánál 1200–2000-re, 3,90 V/cellánál 2400–4000 ciklusra növelhető.

A hátrány, hogy az alacsonyabb töltési feszültség csökkenti a tárolt kapacitást: egyszerű útmutatóként minden 70 mV-os feszültségcsökkentés a teljes kapacitást 10%-kal csökkenti. A hosszú élettartam szempontjából a forrás szerint az optimális töltési feszültség 3,92 V/cella. A forrás kiemeli, hogy a 4,20 V/cella fölötti feszültség rövidíti az élettartamot és ront a biztonságon: 4,35 V-nál egy szokásos lítiumion ciklusszáma megfeleződik.

A fogyasztói készülékek töltői általában 4,20 V/cellára töltenek, mert a felhasználó a lehető leghosszabb üzemidőt akarja. Az ipar viszont hosszabb élettartamot akar, ezért alacsonyabb küszöböket választhat. Példa az elektromos járművek és a műholdak.

Töltési sáv: mennyi energia használható?

A forrás szerint a tartós élettartamhoz a középső sáv a legjobb, de ez csökkenti a hasznosítást. Egy példa: az 85–25%-os töltöttségi sáv a névleges energia 60%-át teszi használhatóvá, így egy kb. 250 Wh/kg-os modern akkumulátor energiasűrűsége a gyakorlatban 150 Wh/kg-ra mérséklődik. Az ipari alkalmazások, például az elektromos autók jellemzően a töltést 85%-ra korlátozzák, és 25%-ig sütik ki, vagyis az energia 60%-át használják, hogy hosszabb legyen az élettartam. A mobiltelefonok ezzel szemben a teljes energiát kihasználják.

A forrás hozzáteszi: a ciklusszámok laboratóriumi vizsgálatokból származnak, és a terepen gyakran nem érhetők el. A táblázatok a kobaltalapú lítiumionra vonatkoznak, a lítium-vas-foszfát és a lítium-titanát feszültségei alacsonyabbak, ezekre a megadott feszültségértékek nem érvényesek.

Mit érdemes megjegyezni?

Az élettartam nem egy szám, hanem használati és környezeti feltételek függvénye. A különböző lítiumion-kémiák jellemzőit a lítiumion-akkumulátorok típusairól szóló cikk mutatja be, a töltöttségi és kisütési fogalmakat a töltöttségről és C-rátáról szóló írás, az általános élettartam-kérdéseket pedig az akkumulátor élettartamáról és karbantartásáról szóló cikk.

Lásd még: Az öregedés kémiai okairól a lítiumion elöregedéséről szóló cikkben írunk (megnyitás).