Ako správne nabíjať Li-Ion batérie a predĺžiť tak ich životnosť?

Vedieť, ako správne používať lítium-iónové batérie (li-Ion), má významný vplyv na predĺženie životnosti batérie. Spísali sme pre vás najdôležitejšie fakty a pokyny, ktoré treba dodržiavať pri používaní a skladovaní Li-ion batérií. Ako na nabíjanie Li-Ion batérie a tak okrem iného aj predĺžiť ich životnosť? Čítajte ďalej.

Nabíjanie Li-Ion batérie - navigácia v článku

• Li-Ion batéria – čo to vlastne je?
  • História vývoja Li-Ion technológie
  • Li-Ion batéria – komerčné využitie
  • Sú lítium-iónové batérie dobrou voľbou?
• Výkon a životnosť lítium-iónovej batérie
  • Spotreba energie v Li-Ion batérii
  • Životnosť Li-Ion batérie
  • Ako oživiť Li-Ion batériu?
• 10 overených tipov, ako správne nabíjať li-Ion batériu
• Budúcnosť lítium-iónovej batérie

Li-Ion batéria – čo to vlastne je?

Používanie lítium-iónovej technológie je naším denným chlebom. Nie každý si však uvedomuje, ako je to bežné v živote každého z nás. Ostatne lítium-iónová batéria sa nepoužíva len v laptopoch a mobiloch, ale aj v elektrickom náradí, vysávačoch, dronoch a dokonca aj autách. Ani fotovoltaika nie je pozadu a batérie pre fotovoltaické systémy fungujú rovnako ako v predchádzajúcich prípadoch, na báze lítia. Dnes zistíme, čo lítium-iónové batérie (nazývané aj li-ion batérie) skutočne sú a ako predĺžiť ich životnosť na maximum.

História vývoja Li-Ion technológie

Prof. John Goodenough a Prof. Koichi Mizushima – prví priekopníci lítium-iónových batérií (https://m.facebook.com/JapanPrizeAward/)

Už na začiatku 20. storočia bol zaznamenaný veľký potenciál lítia ako batériového materiálu. Je to kov s najnižšou hustotou, vysokým elektrochemickým potenciálom a vysokým pomerom energie k hmotnosti.

Americký fyzikálny chemik George Newton Lewis začal experimentovať s lítiovými batériami už v roku 1912, ale až v roku 1970 sa prvýkrát lítiové batérie objavili na trhu. Prvý veľký krok k lítium-iónovým článkom prišiel v roku 1979. Profesor John Goodenough a Koichi Mizushima z Oxfordskej univerzity vytvorili nový typ lítiovej batérie, v ktorej by lítium mohlo putovať batériou od jednej elektródy k druhej vo forme iónov.

Toto riešenie je základom pre súčasné lítium-iónové batérie. Počas nabíjania sa ióny lítia pohybujú z uhlíkovej anódy na oxid lítny a ďalšie kovové katódy a tam sa ukladajú. Pri vybíjaní sa tento proces obráti.

Li-Ion batéria – komerčné využitie

Prvú komerčnú lítium-iónovú batériu sme však videli až v roku 1991. Vo svojich fotoaparátoch ju predstavilo Sony av stopách japonského giganta sa vydali aj ďalšie spoločnosti.

Veľká výhoda lítium-iónovej technológie oproti vtedy dominantnej nikel-kadmiovej technológii bola rozpoznaná firmami rýchlo a tvorila zásadný rozdiel na vtedajšom trhu. Výhodou bola nielen vysoká hustota umožňujúca nazbierať dvojnásobné množstvo náboja v batérii rovnakej veľkosti, ale aj vysoké napätie článku 3,6V.

Nikel-kadmiové články mali napätie 1,2V, takže by sme potrebovali tri, aby sme získali podobné napätie. Ďalšie výhody, ktoré posunuli li-ion dopredu, sú chýbajúci pamäťový efekt, nízky dopad na životné prostredie a pomalšie samovybíjanie.

Sú lítium-iónové batérie dobrou voľbou?

Lítium-iónové batérie sú, v porovnaní s batériami vytvorenými v starých technológiách, účinnejšie, nabíjajú sa oveľa rýchlejšie a navyše (čo je dôležité najmä v prípade mobilných zariadení) sú ľahšie. Možno ich kedykoľvek jednoducho „dobiť“, čo si môžete jednoducho predstaviť na autobatérii. Vďaka ich životnosti nie je potrebné čakať, kým budú úplne vybité, aby sa mohli znovu nabiť, a vďaka tomu je ich používanie pohodlnejšie.

Výkon a životnosť lítium-iónovej batérie

Životnosť lítium-iónovej batérie závisí na dvoch veciach: kapacite a spotrebe energie. Kapacita sa u li-ion batérií obvykle vyjadruje v mAh a pri každej batérii sa mení v dôsledku používania. Napríklad továrenská maximálna kapacita batérie notebooku na úrovni napr. 4400 mAh po roku používania už môže byť znížená aj na 4000 mAh. To samozrejme priamo ovplyvňuje pracovný čas zariadenia.

Spotreba energie v Li-Ion batérii

Dôležitým aspektom je spotreba energie. V prípade notebooku alebo telefónu môže spotreba energie vyplývať z mnohých faktorov, ako je jas obrazovky, využitie procesora, používanie internetu a dokonca aj teplota a vek samotného zariadenia. V závislosti od každej z týchto podmienok sa môže pracovná doba dramaticky líšiť. Majte tiež na pamäti, že lítium-iónová batéria spotrebováva svoju energiu aj v kľudovom režime.

Životnosť Li-Ion batérie

Každá batéria je náchylná na starnutie a batérie vyrobené technológiou Li-Ion nie sú výnimkou. Ich životnosť sa však môže výrazne líšiť v závislosti od intenzity a správnosti používania. Je veľmi bežné, že identická lítium-iónová batéria vydrží u jednej osoby 1,5 roka a u druhej až 5 rokov. Kratšia výdrž batérie je veľmi často dôsledkom nesprávneho používania.

Najškodlivejšou chybou, ktorú môžete urobiť, je hlboké vybitie tým, že batériu vybijete na 0% a necháte ju tam po dlhú dobu. Takže hoci sú lítium-iónové batérie považované za veľmi účinné, ich životnosť závisí od spôsobu použitia. Bohužiaľ veľmi často úplne nevedome batériu vážne poškodíme a tá miesto po pár rokoch už po roku odmietne spolupracovať a plniť naše predstavy o jej životnosti, čo má veľký vplyv na fungovanie a bežné používanie solárnych panelov, telefónu, notebooku a ďalších.

Čo ovplyvňuje životnosť lítium-iónovej batérie?

Medzi najdôležitejšie faktory, ktoré majú priamy vplyv na životnosť batérie, patrí prevádzková a skladovacia teplota, miera vybitia batérie a úroveň nabitia článkov. Ale aj nabíjanie Li-Ion batérie či jej skladovanie.

• Prevádzková a skladovacia teplota
• Hĺbka vybitia (depth of discharge – DoD)
• Úroveň nabitia článkov
• Nabíjanie
• Skladovanie

Prevádzková a skladovacia teplota

Lítium-iónové batérie sa odporúča skladovať a používať pri teplotách medzi 0-35 °C. Vyššie teploty trvalo skracujú životnosť článkov, nižšie naopak negatívne ovplyvňujú získanú kapacitu.

Hĺbka vybitia (depth of discharge – DoD)

Čím nižší stupeň vybitia, tým dlhšia životnosť batérie. Najúčinnejšou možnosťou je vybitie batérie iba o 20 %. Toto riešenie znamená, že jeden celý cyklus (0-100%) je dosiahnutý iba po 5 nabitiach. Sluší sa však podotknúť, že používanie batérie týmto spôsobom nie je jednoduché, preto je dobré batériu po vybití dobiť na 50%, čo umožňuje zdvojnásobiť životnosť batérie. Závislosť stupňa vybitia a životnosti batérie je uvedená v tabuľke nižšie:

Tabuľka zobrazuje výsledky testu, ktorý ukázal, že pokiaľ li-ion batéria bola vždy úplne úplne vybitá, tj na 0%, bolo ju možné nabiť do plna 500x, tzn. jej životnosť bola 500 cyklov. Pokiaľ však batéria bola nabíjaná v momente, keď jej hodnota klesla o 20%, tj na 80% svojej nabíjacej kapacity, jej celková životnosť bola až 1800 plných cyklov, tzn. 3,6x vyššia v porovnaní s nabíjaním až v momente, keď je úplne vybitá. Avšak pozor! Nabíjanie Li-Ion batérie na 100% taktiež nie je najlepší nápad, hoci ho väčšina z nás dnes a denne praktizuje.

Úroveň nabitia článkov (state of charge, SoC)

SoC bola podrobená testom skúmajúci vzťah medzi úrovňou nabitia článku a životnosťou batérie. Tieto testy ukázali, že nabíjanie Li-Ion batérie na 80-85% jej kapacity je tým najlepším riešením. Pre predĺženie životnosti batérie je tak najlepšie vyhnúť sa poslednej fáze nabíjania batérie, ktorá negatívne ovplyvňuje elektrolyt vo vnútri článku. Nabitím lítium-iónovej batérie na 85% predĺžime jej životnosť až 3x. Tento vzťah je uvedený v tabuľke nižšie:

 Dobre vedieť

Na výdrž batérie majú vplyv aj ďalšie faktory, ako už bolo povedané vyššie, ako je napríklad miera a spôsob používania zariadenia. Preto je dobré používať LED svetlá, ktoré sú úspornejšie v spotrebe energie.

Nabíjanie Li-Ion batérie

Lítium-iónové články nabíjame v dvoch fázach, najprv konštantným prúdom a potom konštantným napätím:

1. Nabíjanie NLi-Ion batérie konštantným prúdom (CC) – dlhá fáza charakterizovaná lineárnym nárastom kapacity s ohľadom na napätie a dobu nabíjania. Koniec prvej fázy nastáva pri nabití batérie na úroveň cca 80-90%.
2. Nabíjanie konštantným napätím (CV) – konečná fáza, ktorá spočiatku dáva veľký nárast energie, potom sa spomaľuje. Posledných 5% nabitia trvá dlho.

Skladovanie Li-Ion batérií

Extrémne teploty a zlé poveternostné podmienky nehrajú skladovanie li-ion batérií do kariet, preto sa oplatí vedieť, ako lítium-iónovú batériu skladovať, aby sa pri skladovaní neznížila jej kapacita.

Skladovanie lítium-iónových batérií po dobu 1 roka:

Vyššie uvedená tabuľka ukazuje vzťah medzi skladovacou teplotou batérie a nabitím batérie na 40 % a 100 %. Údaje v nej obsiahnuté jasne ukazujú, že najúčinnejšou možnosťou je skladovať batériu nabitú na cca 40 % pri teplote 0-25 °C.

Tieto výsledky ukazujú iba stratu energie počas skladovania batérie, nie trvalé opotrebovanie batérie. Možno však predpokladať, že so stratou energie dochádza k malej, ale trvalej strate kapacity bunky. Aby ste mohli rovnakú batériu používať aj ďalšiu sezónu, oplatí sa postarať sa o optimálne podmienky skladovania batérie.

 TIP: Zaujalo vás využitie pre FVE? Pozrite sa, ako ušetriť na energiách pomocou slnečného svitu.

Ako oživiť Li-Ion batériu?

Li-ion batérie obsahujú vo svojej štruktúre ochranný systém, ktorý zabraňuje ich poškodeniu v prípade nadmerného vybitia. Tento dôležitý prvok odpája článok batérie a robí ju tak teoreticky nepoužiteľnú. Po dlhšej dobe sa batéria môže dostať do pokojového stavu v dôsledku samovybíjania, ktoré je spôsobené čiastočne chémiou článku a čiastočne systémom ochrany batérie, ktorý nepretržite odoberá malé množstvo prúdu. V závislosti na výrobcovi sa ochranný obvod aktivuje pri napätí 2,2V/článok až 2,9V/článok.

K dispozícii sú nabíjačky, ktoré dokážu prebudiť nečinnú batériu zvýšením jej napätia, aby sa deaktivoval ochranný obvod (boost). Nabíjačky bez tejto možnosti detekujú batériu ako chybnú a nečinnú a batériu nenabíjajú. Prebudenie spočíva v privedení napätia na kontakty batérie pri súčasnom obmedzení prúdu na malú úroveň. Týmto spôsobom je ochranný obvod napájaný a napätie batérie môže stúpnuť nad prahovú hodnotu, nad ktorou začína normálne nabíjanie. Proces oživenia obvykle trvá asi minútu. Pokiaľ napätie článku nestúpne na očakávanú úroveň, potom by mal byť článok považovaný za chybný.

Riziká oživovania Li-Ion batérií

Nepoužívajte túto metódu u batérií, ktoré klesli pod 1,5 V/článok po dobu jedného týždňa alebo dlhšie. Medené mostíky vytvorené vo vnútri článku môžu viesť k čiastočnému alebo úplnému skratu. Nabíjanie takejto batérie môže viesť k nestabilite procesu, nadmernému vývinu tepla a riziku požiaru. Pokročilé nabíjačky dokážu takéto situácie rozpoznať a zastaviť proces oživovania spiaceho článku.

Prebudenie článku so sebou nesie ešte jedno riziko – prepólovanie. Väčšina nabíjačiek dokáže rozpoznať spätne pripojený článok, pokiaľ je na jeho svorkách napätie. Neaktívna batéria ale nevykazuje žiadne napätie na svorkách, preto je treba dávať veľký pozor, pretože hrozí prevrátenie pripojenia batérie. Pri absencii napätia sa nabíjačka môže pokúsiť prebudiť batériu, ale pri prepólovaní dôjde k trvalému poškodeniu článku. Li-ion články sú oveľa citlivejšie na prepólovanie ako iné typy batérií.

Predchádzanie problémom pri skladovaní Li-Ion batérií

Skladovanie lítium-iónových batérií nie je vôbec jednoduchá téma. Na jednej strane výrobcovia odporúčajú udržiavať stav nabitia 40-50 % nominálnej hodnoty, na druhej strane však samovybíjanie článkov, najmä pri zvýšených teplotách, môže spôsobiť nadmerné vybíjanie a prechod do režimu spánku. S vedomím, že sa batéria nebude nabíjať dlhšie ako 12 mesiacov, stojí za to zvýšiť počiatočné nabitie na viac ako odporúčaných 50%.

Na to treba myslieť najmä pri drahších batériách, ako sú tie pre fotovoltaiku alebo autá. Pretože ich cena môže byť pre rozpočet niektorých domácností zničujúca, je nutné venovať batériu náležitú starostlivosť. Jedine tak môžete prispieť jej dlhšej životnosti a ušetriť svoje peniaze.

10 overených tipov, ako správne nabíjať li-Ion batériu

Chcete vedieť ako správne nabíjať Li-Ion batériu aby vám vydržala čo najdlhšie? Toto je 10 overených tipov:

1. Najlepšie je nabíjať zariadenie vypnuté. To platí najmä v noci. (Telefón sa dokáže sám „prebudiť“, aby aktivoval budík.)
2. V noci používajte slabšiu nabíjačku. Najlepšie takú, ktorá dáva 0,8-1,0 ampér. Batéria vydrží dlhšie pri nabíjaní menším prúdom. Nabíjačky 2,1 A skracujú životnosť batérie.
3. Nabíjanie Li-Ion batérie vykonávajte pri izbovej teplote, najlepšie do 25 ° C (ale rozhodne nad bodom mrazu).
4. Pokiaľ je to možné, nenabíjajte telefón do plna. Ako už bolo povedané vyššie, batéria nabitá na 80-85% zostane v dobrom stave oveľa dlhšie.
5. Lítium-iónové batérie, ktoré nájdete vo všetkých moderných telefónoch, nemajú žiadny pamäťový efekt. Dobíjanie počas dňa im nielen neškodí, ale dokonca predlžuje ich životnosť. Stojí za to premýšľať o powerbanke, ktorá vám umožní dobíjať telefón kdekoľvek.
6. Pokiaľ teplota telefónu počas nabíjania stúpne o viac ako 10 °C, niečo nie je v poriadku. Najprv vymeňte nabíjačku – kúpte si najlepšie tú, ktorú ste dostali s telefónom. Pokiaľ sa aj napriek tomu zariadenie zahrieva, znamená to, že batéria už končí. Je bezpečnejšie ho nepoužívať a batériu vymeniť (ak je to možné).
7. Pokiaľ chcete zariadenie uskladniť bez jeho používania, nabite batériu na 40 percent. Tým sa značne predĺži jeho životnosť. Úplne vybitá batéria môže byť trvalo poškodená.
8. Pokiaľ vám záleží na rýchlom nabití telefónu, použite krátky kábel s hrubými žilkami. Strata výkonu bude oveľa menšia.
9. Buďte opatrní s nabíjaním v horúcich dňoch. Vyberte telefón z krytu alebo puzdra, pokiaľ je to možné, nabite ho na chladnom mieste.
10. Pozor na lacné, odfláknuté nabíjačky. Nabíjanie Li-Ion batérie – celý ten proces – je pomerne komplikovaný. Lacné nabíjačky nezohľadňujú vlastnosti takejto batérie. Ich použitie nielen skracuje životnosť batérie, ale môže tiež spôsobiť, že telefón hlási plné nabitie, keď v skutočnosti batéria nie je pripravená. Tým sa vybije oveľa rýchlejšie.

 TIP: Zaobstarali ste si elektromobil a chystáte sa na cestu? Viete, aká je v ČR infraštruktúra pre elektromobily?

Budúcnosť lítium-iónovej batérie

Je pravda, že li-ion technológia a jej podobná lítium-polymérová technológia stále rozhodne dominuje vo väčšine prenosných zariadení, ale to neznamená, že v tejto oblasti nedochádza k zmenám. Na obzore máme aspoň pár vylepšení, ktoré by mohli mobilné technológie posunúť ešte ďalej. Určite jednou z nich je nová technológia vytvorená Teslou. Došlo tiež k objavom a vylepšeniam spojeným s grafénom. Pokiaľ sa nájde jednoduchá a lacná metóda získavania grafénu, bude ho možné použiť na zvýšenie účinnosti lítium-iónových článkov.

Redakcia

Tento článok pre vás pripravili redaktori magazínu DoDomácnosti.sk. Hľadáme to, čo vás zaujíma. Testujeme, porovnávame, recenzujeme všetko, čo patrí do domu, bytu, záhrady, či dielne. Kontakty na nás nájdete v sekcii O webe.