Cara Memperpanjang Baterai Berbasis Lithium

Temukan apa yang menyebabkan Li-ion menjadi tua dan apa yang pengguna baterai dapat lakukan untuk memperpanjang umurnya.

Riset baterai berfokus pada kimia lithium begitu banyak sehingga orang bisa membayangkan bahwa masa depan baterai semata-mata terletak di lithium. Ada alasan bagus untuk bersikap optimis karena lithium-ion, dalam banyak hal, lebih unggul daripada kimia lainnya. Aplikasi sedang tumbuh dan menyusup ke pasar yang sebelumnya dipegang teguh oleh asam timbal, seperti siaga dan meratakan beban. Banyak satelit juga didukung oleh Li-ion.

Lithium-ion belum sepenuhnya matang dan masih membaik. Kemajuan penting telah dibuat dalam jangka panjang dan keamanan sementara kapasitas meningkat secara bertahap. Hari ini, Li-ion memenuhi harapan sebagian besar perangkat konsumen tetapi aplikasi untuk EV memerlukan pengembangan lebih lanjut sebelum sumber daya ini akan menjadi norma yang diterima.

Apa Penyebab Lithium-ion ke Usia?

Baterai lithium-ion bekerja pada gerakan ion antara elektroda positif dan negatif. Dalam teori, mekanisme seperti itu harus bekerja selamanya, tetapi bersepeda, suhu tinggi dan penuaan menurunkan kinerja dari waktu ke waktu. Produsen mengambil pendekatan konservatif dan menentukan kehidupan Li-ion di sebagian besar produk konsumen sebagai antara 300 dan 500 debit / siklus pengisian.

Mengevaluasi masa pakai baterai pada siklus penghitungan tidak konklusif karena debit dapat bervariasi secara mendalam dan tidak ada standar yang jelas tentang apa yang membentuk siklus. Sebagai pengganti jumlah siklus, beberapa produsen perangkat menyarankan penggantian baterai pada cap tanggal, tetapi metode ini tidak memperhitungkan penggunaan. Baterai mungkin gagal dalam waktu yang ditentukan karena penggunaan berat atau kondisi suhu yang tidak mendukung; namun, sebagian besar kemasan bertahan jauh lebih lama daripada yang ditunjukkan oleh cap.

Kinerja baterai diukur dalam kapasitas, indikator kesehatan utama. Resistensi internal dan self-discharge juga memainkan peran, tetapi ini kurang signifikan dalam memprediksi akhir masa pakai baterai dengan ion Li modern.

Gambar 1 mengilustrasikan penurunan kapasitas dari 11 baterai Li-polimer yang telah dirayapi di laboratorium Cadex. Sel poket 1,500 mAh untuk telepon seluler pertama kali diisi pada arus 1,500mA (1C) hingga 4,20V / sel dan kemudian dibiarkan menjadi jenuh hingga 0,05C (75mA) sebagai bagian dari saturasi muatan penuh. Baterai kemudian dibuang pada 1.500mA ke 3.0V / sel, dan siklus itu diulang. Kehilangan kapasitas yang diharapkan dari baterai Li-ion adalah seragam selama siklus 250 yang diberikan dan baterai dilakukan seperti yang diharapkan.

Sebelas Li-ion baru diuji pada alat analisa baterai Cadex C7400. Semua paket mulai pada kapasitas 88-94% dan turun menjadi 73-84% setelah 250 siklus debit penuh. Paket kantong 1500mAh digunakan di ponsel.

Tabel berikut menunjukkan kerugian kapasitas terkait stres pada lithium-ion berbasis kobalt. Tegangan dari lithium besi fosfat dan lithium titanat lebih rendah dan tidak berlaku untuk referensi tegangan yang diberikan.
Meskipun baterai harus memberikan kapasitas 100 persen selama tahun pertama layanan, biasanya terlihat lebih rendah dari kapasitas yang ditentukan, dan umur simpan dapat berkontribusi terhadap kerugian ini. Selain itu, produsen cenderung melebih-lebihkan baterai mereka, mengetahui bahwa sangat sedikit pengguna yang akan melakukan pemeriksaan tempat dan mengeluh jika rendah. Tidak harus mencocokkan sel tunggal di ponsel dan tablet, seperti yang diperlukan dalam paket multi-sel, membuka pintu air untuk penerimaan kinerja yang lebih luas. Sel dengan kapasitas lebih rendah dapat lolos dari celah tanpa sepengetahuan konsumen.

Mirip dengan perangkat mekanis yang habis lebih cepat dengan penggunaan berat, kedalaman pembuangan (DoD) menentukan jumlah siklus baterai. Semakin kecil debit (DoD rendah), semakin lama baterai akan bertahan. Jika memungkinkan, hindari pelepasan penuh dan isi daya baterai lebih sering di antara penggunaan. Pembuangan parsial pada Li-ion baik-baik saja. Tidak ada memori dan baterai tidak perlu siklus debit penuh secara berkala untuk memperpanjang umur. Pengecualian dapat berupa kalibrasi berkala pengukur bahan bakar pada baterai pintar atau perangkat cerdas.

Tabel 2 memperkirakan jumlah debit / siklus muatan Li-ion dapat memberikan pada berbagai tingkat DoD sebelum kapasitas baterai turun menjadi 70 persen. DoD merupakan muatan penuh yang diikuti oleh debit ke level state-of-charge (SoC) yang ditunjukkan dalam tabel.

Lithium-ion menderita stres saat terkena panas, begitu juga menjaga sel pada tegangan muatan tinggi. Baterai yang berada di atas 30 ° C (86 ° F) dianggap sebagai suhu tinggi dan untuk sebagian besar Li-ion, tegangan di atas 4.10V / sel dianggap sebagai tegangan tinggi . Mengekspos baterai ke suhu tinggi dan tinggal dalam keadaan penuh untuk waktu yang lama bisa lebih menegangkan daripada bersepeda. Tabel 3 menunjukkan hilangnya kapasitas sebagai fungsi suhu dan SoC.

Kebanyakan Li-ion mengisi ke 4.20V / sel, dan setiap pengurangan tegangan pengisian puncak 0,10V / sel dikatakan untuk menggandakan siklus hidup. Sebagai contoh, sebuah sel lithium-ion yang dibebankan ke 4.20V / sel biasanya memberikan 300-500 siklus. Jika dibebankan hanya 4.10V / sel, kehidupan dapat diperpanjang hingga 600–1000 siklus; 4.0V / sel harus memberikan 1.200-2.000 dan 3.90V / sel harus menyediakan 2.400–4.000 siklus.

Di sisi negatif, tegangan muatan puncak yang lebih rendah mengurangi kapasitas penyimpanan baterai. Sebagai panduan sederhana, setiap pengurangan tegangan listrik sebesar 70mV menurunkan kapasitas keseluruhan sebesar 10 persen. Menerapkan tegangan pengisian puncak pada muatan berikutnya akan mengembalikan kapasitas penuh.

Dalam hal umur panjang, tegangan muatan optimal adalah 3,92V / sel. Pakar baterai percaya bahwa ambang ini menghilangkan semua tegangan terkait tegangan; lebih rendah mungkin tidak mendapatkan manfaat lebih lanjut tetapi menginduksi gejala lain. Tabel 4 merangkum kapasitas sebagai fungsi level muatan. (Semua nilai diperkirakan; Energi Sel dengan ambang tegangan yang lebih tinggi dapat menyimpang.)

Percobaan: Chalmers University of Technology, Swedia, melaporkan bahwa penggunaan tingkat muatan tereduksi 50% SOC meningkatkan harapan masa pakai baterai Li-ion kendaraan sebesar 44–130%.

Sebagian besar pengisi daya untuk ponsel, laptop, tablet, dan kamera digital mengisi daya Li-ion hingga 4.20V / sel. Ini memungkinkan kapasitas maksimum, karena konsumen menginginkan tidak kurang dari runtime optimal. Industri, di sisi lain, lebih peduli tentang umur panjang dan dapat memilih ambang tegangan yang lebih rendah. Satelit dan kendaraan listrik adalah contohnya.

Untuk alasan keamanan, banyak lithium-ion tidak dapat melebihi 4,20V / sel. (Beberapa NMC adalah pengecualian.) Sementara tegangan yang lebih tinggi meningkatkan kapasitas, melebihi tegangan mempersingkat masa pakai layanan dan membahayakan keselamatan. Gambar 5 menunjukkan jumlah siklus sebagai fungsi tegangan pengisian. Pada 4.35V, jumlah siklus dari Li-ion biasa dipotong setengahnya.

Selain memilih ambang tegangan yang paling sesuai untuk aplikasi yang diberikan, Li-ion biasa tidak boleh tetap berada di langit-langit tegangan tinggi 4.20V / sel untuk waktu yang lama. Pengisi baterai Li-ion mematikan arus muatan dan tegangan baterai kembali ke tingkat yang lebih alami. Ini seperti melemaskan otot-otot setelah latihan berat.

Gambar 6 mengilustrasikan stress test dinamis (DST) yang mencerminkan hilangnya kapasitas ketika bersepeda Li-ion pada berbagai muatan dan debit bandwidth. Kerugian kapasitas terbesar terjadi ketika pemakaian Li-ion yang terisi penuh hingga 25 persen SoC (hitam); Kehilangan akan lebih tinggi jika benar-benar habis. Bersepeda antara 85 dan 25 persen (hijau) memberikan masa pakai yang lebih lama daripada pengisian hingga 100 persen dan pemakaian hingga 50 persen (biru gelap). Kerugian kapasitas terkecil dicapai dengan pengisian Li-ion hingga 75 persen dan pemakaian hingga 65 persen. Namun, ini tidak sepenuhnya memanfaatkan baterai. Tegangan tinggi dan paparan suhu tinggi dikatakan menurunkan baterai lebih cepat daripada bersepeda dalam kondisi normal.

^{Courtesy: ResearchGate - Pemodelan Degradasi Baterai Lithium-Ion untuk Penilaian Kehidupan Sel.
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

Perbedaan ada antara Tabel 2 dan Gambar 6 pada jumlah siklus. Tidak ada penjelasan yang jelas yang tersedia selain asumsi perbedaan dalam kualitas baterai dan metode uji. Variasi antara konsumen murah dan kelas industri yang tahan lama juga dapat memainkan peran. Retensi kapasitas akan menurun lebih cepat pada suhu tinggi daripada pada 20ºC.

Hanya siklus penuh yang memberikan energi baterai tertentu. Dengan Sel Energi modern, ini 250Wh / kg, tetapi siklus hidup akan dikompromikan. Semua yang linier, rentang hidup yang memperpanjang hidup 85-25 persen mengurangi energi hingga 60 persen dan ini setara dengan memoderasi kepadatan energi spesifik dari 250Wh / kg hingga 150Wh / kg. Ponsel adalah barang konsumsi yang memanfaatkan energi penuh baterai. Perangkat industri, seperti EV, biasanya membatasi pengisian hingga 85% dan debit hingga 25% untuk memperpanjang masa pakai baterai.

Gambar 7 mengekstrapolasi data dari Gambar 6 untuk memperluas siklus hidup Li-ion yang diprediksi dengan menggunakan program ekstrapolasi yang mengasumsikan kerusakan linier kapasitas baterai dengan bersepeda progresif. Jika ini benar, maka baterai Li-ion bersepeda dalam 75% -25% SoC (biru) akan memudar menjadi 74% kapasitas setelah 14.000 siklus. Jika baterai ini dibebankan hingga 85% dengan kedalaman-debit yang sama (hijau), kapasitas akan turun menjadi 64% pada 14.000 siklus, dan dengan muatan 100% dengan DoD yang sama (hitam), kapasitas akan turun menjadi 48% . Untuk alasan yang tidak diketahui, harapan kehidupan nyata cenderung lebih rendah daripada dalam pemodelan simulasi.

Baterai Li-ion dibebankan ke tiga tingkat SoC yang berbeda dan siklus hidup dimodelkan. Membatasi rentang muatan memperpanjang masa pakai baterai tetapi mengurangi energi yang dikirim. Ini mencerminkan peningkatan berat dan biaya awal yang lebih tinggi.
^{Dengan izin untuk digunakan. Interpolasi / ekstrapolasi oleh OriginLab.}

^{Produsen baterai sering menentukan siklus hidup baterai dengan 80 DoD. Ini praktis karena baterai harus menyimpan beberapa cadangan sebelum mengisi daya dalam penggunaan normal. (Lihat BU-501: Dasar-dasar tentang Pengosongan , "Apa yang Merupakan Siklus Discharge") Perhitungan siklus pada DST (uji tegangan dinamis) berbeda dengan jenis baterai, waktu pengisian, protokol pemuatan, dan suhu operasi. Tes laboratorium sering mendapatkan angka yang tidak dapat dicapai di lapangan.}

Apa Yang Dapat Dilakukan Pengguna?

Kondisi lingkungan, bukan bersepeda sendiri, mengatur umur panjang baterai lithium-ion. Situasi terburuk adalah menjaga baterai yang terisi penuh pada suhu tinggi. Paket baterai tidak mati secara tiba-tiba, tetapi runtime secara berangsur-angsur memendek karena kapasitas memudar.

Tegangan biaya yang lebih rendah memperpanjang masa pakai baterai dan kendaraan listrik dan satelit mengambil keuntungan dari ini. Ketentuan serupa juga dapat dibuat untuk perangkat konsumen, tetapi ini jarang ditawarkan; Keusangan yang direncanakan mengurus ini.

Baterai laptop dapat diperpanjang dengan menurunkan tegangan muatan saat terhubung ke jaringan AC. Untuk membuat fitur ini mudah digunakan, perangkat harus menampilkan mode "Umur Panjang" yang menyimpan baterai pada 4,05V / sel dan menawarkan SoC sekitar 80 persen. Satu jam sebelum bepergian, pengguna meminta mode "Kapasitas Penuh" untuk membawa muatan ke 4.20V / sel.

Pertanyaannya adalah bertanya, "Haruskah saya melepaskan laptop saya dari jaringan listrik ketika tidak digunakan?" Dalam keadaan normal ini tidak diperlukan karena pengisian berhenti ketika baterai Li-ion penuh. Sebuah muatan topping hanya diterapkan ketika tegangan baterai turun ke tingkat tertentu. Sebagian besar pengguna tidak menghapus daya AC, dan praktik ini aman.

Laptop modern berjalan lebih dingin dari model lama dan kebakaran yang dilaporkan lebih sedikit. Selalu jaga agar aliran udara tidak terhalang saat menjalankan perangkat listrik dengan pendingin udara di atas tempat tidur atau bantal. Laptop yang keren memperpanjang masa pakai baterai dan menjaga komponen internal. Energy Cells, yang sebagian besar produk konsumen, harus diisi pada 1C atau kurang. Hindari apa yang disebut charger ultra cepat yang mengklaim mengisi daya Li-ion dalam waktu kurang dari satu jam.