Jak správně nabíjet Li-Ion baterie a prodloužit tak jejich životnost?

Vědět, jak správně používat lithium-iontové baterie (li-Ion), má významný vliv na prodloužení životnosti baterie. Sepsali jsme pro vás nejdůležitější fakta a pokyny, které je třeba dodržovat při používání a skladování Li-ion baterií. Jak na nabíjení Li-Ion baterie a tak mimo jiné i prodloužit jejich životnost? Čtěte dál.

Nabíjení Li-Ion baterie - navigace v článku

• Li-Ion baterie – co to vlastně je?
  • Historie vývoje Li-Ion technologie
  • Li-Ion baterie – komerční využití
  • Jsou lithium-iontové baterie dobrou volbou?
• Výkon a životnost lithium-iontové baterie
  • Spotřeba energie v Li-Ion baterii
  • Životnost Li-Ion baterie
  • Jak oživit Li-Ion baterii?
• 10 ověřených tipů, jak správně nabíjet li-Ion baterii
• Budoucnost lithium-iontové baterie

Li-Ion baterie – co to vlastně je?

Používání lithium-iontové technologie je naším denním chlebem. Ne každý si však uvědomuje, jak je to běžné v životě každého z nás. Ostatně lithium-iontová baterie se nepoužívá jen v laptopech a mobilech, ale také v elektrickém nářadí, vysavačích, dronech a dokonce i autech. Ani fotovoltaika není  pozadu a baterie pro fotovoltaické systémy fungují stejně jako v předchozích případech, na bázi lithia. Dnes zjistíme, co lithium-iontové baterie (nazývané také li-ion baterie) skutečně jsou a jak prodloužit jejich životnost na maximum.

Historie vývoje Li-Ion technologie

Prof. John Goodenough a Prof. Koichi Mizushima – první průkopníci lithium-iontových baterií (https://m.facebook.com/JapanPrizeAward/)

Již na počátku 20. století byl zaznamenán velký potenciál lithia jako bateriového materiálu. Je to kov s nejnižší hustotou, vysokým elektrochemickým potenciálem a vysokým poměrem energie k hmotnosti.

Americký fyzikálny chemik George Newton Lewis začal experimentovat s lithiovými bateriemi již v roce 1912, ale až v roce 1970 se poprvé lithiové baterie objevily na trhu. První velký krok k lithium-iontovým článkům přišel v roce 1979. Profesor John Goodenough a Koichi Mizushima z Oxfordské univerzity vytvořili nový typ lithiové baterie, ve které by lithium mohlo putovat baterií od jedné elektrody ke druhé ve formě iontů.

Toto řešení je základem pro současné lithium-iontové baterie. Během nabíjení se ionty lithia pohybují z uhlíkové anody na oxid lithný a další kovové katody a tam se ukládají. Při vybíjení se tento proces obrátí.

Li-Ion baterie – komerční využití

První komerční lithium-iontovou baterii jsme však viděli až v roce 1991. Ve svých fotoaparátech jí představilo Sony a ve stopách japonského giganta se vydaly i další společnosti.

Velká výhoda lithium-iontové technologie oproti tehdy dominantní nikl-kadmiové technologii byla rozpoznána firmami rychle a tvořila zásadní rozdíl na tehdejším trhu. Výhodou byla nejen vysoká hustota umožňující nasbírat dvojnásobné množství náboje v baterii stejné velikosti, ale také vysoké napětí článku 3,6V.

Nikl-kadmiové články měly napětí 1,2V, takže bychom potřebovali tři, abychom získali podobné napětí. Další výhody, které posunuly li-ion kupředu, jsou chybějící paměťový efekt, nízký dopad na životní prostředí a pomalejší samovybíjení.

Jsou lithium-iontové baterie dobrou volbou?

Lithium-iontové baterie jsou, ve srovnání s bateriemi vytvořenými ve starých technologiích, účinnější, nabíjejí se mnohem rychleji a navíc (což je důležité zejména v případě mobilních zařízení) jsou lehčí. Lze je kdykoliv jednoduše „dobít“, což si můžete jednoduše představit na autobaterii. Díky jejich životnosti není třeba čekat, až budou úplně vybité, aby se mohly znovu nabít, a díky tomu je jejich používání pohodlnější.

Výkon a životnost lithium-iontové baterie

Životnost lithium-iontové baterie závisí na dvou věcech: kapacitě a spotřebě energie. Kapacita se u li-ion baterií obvykle vyjadřuje v mAh a u každé baterie se mění v důsledku používání. Například tovární maximální kapacita baterie notebooku na úrovni např. 4400 mAh po roce používání již může být snížena i na 4000 mAh. To samozřejmě přímo ovlivňuje pracovní dobu zařízení.

Spotřeba energie v Li-Ion baterii

Důležitým aspektem je spotřeba energie. V případě notebooku nebo telefonu může spotřeba energie vyplývat z mnoha faktorů, jako je jas obrazovky, využití procesoru, používání internetu a dokonce i teplota a stáří samotného zařízení. V závislosti na každé z těchto podmínek se může pracovní doba dramaticky lišit. Mějte také na paměti, že lithium-iontová baterie spotřebovává svoji energii i v klidovém režimu.

Životnost Li-Ion baterie

Každá baterie je náchylná ke stárnutí a baterie vyrobené technologií Li-Ion nejsou výjimkou. Jejich životnost se však může výrazně lišit v závislosti na intenzitě a správnosti používání. Je velmi běžné, že identická lithium-iontová baterie vydrží u jedné osoby 1,5 roku a u druhé až 5 let. Kratší výdrž baterie je velmi často důsledkem nesprávného používání.

Nejškodlivější chybou, kterou můžete udělat, je hluboké vybití tím, že baterii vybijete na 0 % a necháte ji tam po dlouhou dobu. Takže ačkoli jsou lithium-iontové baterie považovány za velmi účinné, jejich životnost závisí na způsobu použití. Bohužel velmi často zcela nevědomě baterii vážně poškodíme a ta místo po pár letech už po roce odmítne spolupracovat a plnit naše představy o její životnosti, což má velký vliv na fungování a běžné užívání solárních panelů, telefonu, notebooku a dalších.

Co ovlivňuje životnost lithium-iontové baterie?

Mezi nejdůležitější faktory, které mají přímý vliv na životnost baterie, patří provozní a skladovací teplota, míra vybití baterie a úroveň nabití článků. Ale také nabíjení Li-Ion baterie či její skladování.

• Provozní a skladovací teplota
• Hloubka vybití (depth of discharge – DoD)
• Úroveň nabití článků
• Nabíjení
• Skladování

Provozní a skladovací teplota

Lithium-iontové baterie se doporučuje skladovat a používat při teplotách mezi 0-35°C. Vyšší teploty trvale zkracují životnost článků, nižší naopak negativně ovlivňují získanou kapacitu.

Hloubka vybití (depth of discharge – DoD)

Čím nižší stupeň vybití, tím delší životnost baterie. Nejúčinnější možností je vybití baterie pouze o 20 %. Toto řešení znamená, že jeden celý cyklus (0-100%) je dosažen pouze po 5 nabitích. Sluší se však podotknout, že používání baterie tímto způsobem není jednoduché, proto je dobré baterii po vybití dobít na 50 %, což umožňuje zdvojnásobit životnost baterie. Závislost stupně vybití a životnosti baterie je uvedena v tabulce níže:

Tabulka zobrazuje výsledky testu, který ukázal, že pokud li-ion baterie byla vždy zcela úplně vybitá, tj. na 0%, bylo jí možné nabít do plna 500x, tzn. její životnost byla 500 cyklů. Pokud však baterie byla nabíjená v momentě, kdy její hodnota klesla o 20%, tj na 80% své nabíjecí kapacity, její celková životnost byla až 1800 plných cyklů, tzn. 3,6x vyšší v porovnání s nabíjením až v momentě, kdy je zcela vybitá. Nicméně pozor! Nabíjení Li-Ion baterie na 100% taktéž není nejlepší nápad, ačkoliv ho většina z nás dnes a denně praktikuje.

Úroveň nabití článků (state of charge, SoC)

SoC byla podrobena testům zkoumající vztah mezi úrovní nabití článku a životností baterie. Tyto testy ukázaly, že nabíjení Li-Ion baterie na 80-85 % její kapacity je tím nejlepším řešením. Pro prodloužení životnosti baterie je tak nejlepší vyhnout se poslední fázi nabíjení baterie, která negativně ovlivňuje elektrolyt uvnitř článku. Nabitím lithium-iontové baterie na 85 % prodloužíme její životnost až 3x. Tento vztah je uveden v tabulce níže:

 Dobře vědět

Na výdrž baterie mají vliv i další faktory, jak již bylo řečeno výše, jako je třeba míra a způsob používání zařízení. Proto je dobré používat LED světla, která jsou úspornější ve spotřebě energie.

Nabíjení Li-Ion baterie

Lithium-iontové články nabíjíme ve dvou fázích, nejprve konstantním proudem a poté konstantním napětím:

1. Nabíjení NLi-Ion baterie konstantním proudem (CC) – dlouhá fáze charakterizovaná lineárním nárůstem kapacity s ohledem na napětí a dobu nabíjení. Konec první fáze nastává při nabití baterie na úroveň cca 80-90%.
2. Nabíjení konstantním napětím (CV) – konečná fáze, která zpočátku dává velký nárůst energie, pak se zpomaluje. Posledních 5 % nabití trvá dlouho.

Skladování Li-Ion baterií

Extrémní teploty a špatné povětrnostní podmínky nehrajou skladování li-ion baterií do karet, proto se vyplatí vědět, jak lithium-iontovou baterii skladovat, aby se při skladování nesnížila její kapacita.

Skladování lithium-iontových baterií po dobu 1 roku:

Výše uvedená tabulka ukazuje vztah mezi skladovací teplotou baterie a nabitím baterie na 40 % a 100 %. Údaje v ní obsažené jasně ukazují, že nejúčinnější možností je skladovat baterii nabitou na cca 40 % při teplotě 0-25 °C.

Tyto výsledky ukazují pouze ztrátu energie během skladování baterie, nikoli trvalé opotřebení baterie. Lze však předpokládat, že se ztrátou energie dochází k malé, ale trvalé ztrátě kapacity buňky. Abyste mohli stejnou baterii používat i další sezónu, vyplatí se postarat se o optimální podmínky skladování baterie.

 TIP: Zaujalo vás využití pro FVE? Podívejte se, jak ušetřit na energiích pomocí slunečního svitu.

Jak oživit Li-Ion baterii?

Li-ion baterie obsahují ve své struktuře ochranný systém, který zabraňuje jejich poškození v případě nadměrného vybití. Tento důležitý prvek odpojuje článek baterie a dělá ji tak teoreticky nepoužitelnou. Po delší době se baterie může dostat do klidového stavu v důsledku samovybíjení, které je způsobeno částečně chemií článku a částečně systémem ochrany baterie, který nepřetržitě odebírá malé množství proudu. V závislosti na výrobci se ochranný obvod aktivuje při napětí 2,2V/článek až 2,9V/článek.

K dispozici jsou nabíječky, které dokážou probudit nečinnou baterii zvýšením jejího napětí, aby se deaktivoval ochranný obvod (boost). Nabíječky bez této možnosti detekují baterii jako vadnou a nečinnou a baterii nenabíjí. Probuzení spočívá v přivedení napětí na kontakty baterie při současném omezení proudu na malou úroveň. Tímto způsobem je ochranný obvod napájen a napětí baterie může stoupnout nad prahovou hodnotu, nad kterou začíná normální nabíjení. Proces oživení obvykle trvá asi minutu. Pokud napětí článku nestoupne na očekávanou úroveň, pak by měl být článek považován za vadný.

Rizika oživování Li-Ion baterií

Nepoužívejte tuto metodu u baterií, které klesly pod 1,5 V/článek po dobu jednoho týdne nebo déle. Měděné můstky vytvořené uvnitř článku mohou vést k částečnému nebo úplnému zkratu. Nabíjení takové baterie může vést k nestabilitě procesu, nadměrnému vývinu tepla a riziku požáru. Pokročilé nabíječky dokážou takové situace rozpoznat a zastavit proces oživování spícího článku.

Probuzení článku s sebou nese ještě jedno riziko – přepólování. Většina nabíječek dokáže rozpoznat zpětně připojený článek, pokud je na jeho svorkách napětí. Neaktivní baterie ale nevykazuje žádné napětí na svorkách, proto je třeba dávat velký pozor, jelikož hrozí převrácení připojení baterie. Při absenci napětí se nabíječka může pokusit probudit baterii, ale při přepólování dojde k trvalému poškození článku. Li-ion články jsou mnohem citlivější na přepólování než jiné typy baterií.

Předcházení problémům při skladování Li-Ion baterií

Skladování lithium-iontových baterií není vůbec jednoduché téma. Na jednu stranu výrobci doporučují udržovat stav nabití 40-50 % nominální hodnoty, na druhou stranu však samovybíjení článků, zejména při zvýšených teplotách, může způsobit nadměrné vybíjení a přechod do režimu spánku. S vědomím, že se baterie nebude nabíjet déle než 12 měsíců, stojí za to zvýšit počáteční nabití na více než doporučovaných 50 %.

Na to je třeba myslet zejména u dražších baterií, jakou jsou ty pro fotovoltaiku nebo auta. Protože jejich cena může být pro rozpočet některých domácností zničující, je nutné věnovat baterii náležitou péči. Jedině tak můžete přispět její delší životnosti a ušetřit své peníze.

10 ověřených tipů, jak správně nabíjet li-Ion baterii

Chcete vědět jak správně nabíjet Li-Ion baterii aby vám vydržela co nejdéle? Toto je 10 ověřených tipů:

1. Nejlepší je nabíjet zařízení vypnuté. To platí zejména v noci. (Telefon se dokáže sám „probudit“, aby aktivoval budík.)
2. V noci používejte slabší nabíječku. Nejlépe takovou, která dává 0,8-1,0 ampér. Baterie vydrží déle při nabíjení menším proudem. Nabíječky 2,1 A zkracují životnost baterie.
3. Nabíjení Li-Ion baterie provádějte při pokojové teplotě, nejlépe do 25 °C (ale rozhodně nad bodem mrazu).
4. Pokud je to možné, nenabíjejte telefon do plna. Jak už bylo řečeno výše, baterie nabitá na 80-85 % zůstane v dobrém stavu mnohem déle.
5. Lithium-iontové baterie, které najdete ve všech moderních telefonech, nemají žádný paměťový efekt. Dobíjení během dne jim nejen neškodí, ale dokonce prodlužuje jejich životnost. Stojí za to přemýšlet o powerbance, která vám umožní dobíjet telefon kdekoliv.
6. Pokud teplota telefonu během nabíjení stoupne o více než 10 °C, něco není v pořádku. Nejprve vyměňte nabíječku – kupte si nejlépe tu, kterou jste obdrželi s telefonem. Pokud se i přes to zařízení zahřívá, znamená to, že baterie již končí. Je bezpečnější ho nepoužívat a baterii vyměnit (je-li to možné).
7. Pokud chcete zařízení uskladnit bez jeho užívání, nabijte baterii na 40 procent. Tím se značně prodlouží jeho životnost. Zcela vybitá baterie může být trvale poškozena.
8. Pokud vám záleží na rychlém nabití telefonu, použijte krátký kabel s tlustými žilkami. Ztráta výkonu bude mnohem menší.
9. Buďte opatrní s nabíjením v horkých dnech. Vyjměte telefon z krytu nebo pouzdra, pokud je to možné, nabijte jej na chladném místě.
10. Pozor na levné, odfláknuté nabíječky. Proces nabíjení Li-Ion baterie je poměrně komplikovaný. Levné nabíječky nezohledňují vlastnosti takové baterie. Jejich použití nejen zkracuje životnost baterie, ale může také způsobit, že telefon hlásí plné nabití, když ve skutečnosti baterie není připravena. Tím se vybije mnohem rychleji.

 TIP: Pořídili jste si elektromobil a chystáte se na cestu? Víte, jaká je v ČR infrastruktura pro elektromobily?

Budoucnost lithium-iontové baterie

Je pravda, že li-ion technologie a jí podobná lithium-polymerová technologie stále rozhodně dominuje ve většině přenosných zařízení, ale to neznamená, že v této oblasti nedochází ke změnám. Na obzoru máme alespoň pár vylepšení, která by mohla mobilní technologie posunout ještě dál. Určitě jednou z nich je nová technologie vytvořená Teslou. Došlo také k objevům a vylepšením spojeným s grafenem. Pokud se najde jednoduchá a levná metoda získávání grafenu, bude jej možno použít ke zvýšení účinnosti lithium-iontových článků.

redakce

Tento článek pro vás připravili redaktoři magazínu CestakBydlení.cz. Testujeme a porovnáváme vše, co patří do domu, bytu, zahrady, či dílny. Obsah připravujeme tak, aby odpovídal na všechny důležité otázky, týkající se tématu.