लिथियम आधारित बैटरी कैसे बढ़ाएं

पता लगाएं कि ली-आयन उम्र के कारण क्या है और बैटरी उपयोगकर्ता अपने जीवन को बढ़ाने के लिए क्या कर सकता है।

बैटरी अनुसंधान लिथियम रसायनविदों पर इतना ध्यान केंद्रित कर रहा है कि कोई कल्पना कर सके कि बैटरी भविष्य पूरी तरह से लिथियम में स्थित है। आशावादी होने के अच्छे कारण हैं क्योंकि लिथियम-आयन कई तरीकों से, अन्य रसायनविदों से बेहतर है। आवेदन बढ़ रहे हैं और बाजारों में अतिक्रमण कर रहे हैं जो पहले लीड एसिड द्वारा दृढ़ता से आयोजित किए गए थे, जैसे स्टैंडबाय और लोड लेवलिंग। कई उपग्रह ली-आयन द्वारा भी संचालित होते हैं।

लिथियम-आयन अभी तक पूरी तरह से परिपक्व नहीं हुआ है और अभी भी सुधार कर रहा है। लंबी उम्र और सुरक्षा में उल्लेखनीय प्रगति हुई है जबकि क्षमता में वृद्धि बढ़ रही है। आज, ली-आयन अधिकांश उपभोक्ता उपकरणों की अपेक्षाओं को पूरा करता है लेकिन ईवी के लिए आवेदनों को आगे बढ़ाने की आवश्यकता है इससे पहले कि यह शक्ति स्रोत स्वीकार्य मानदंड बन जाएगा।

उम्र के लिए लिथियम आयन का कारण क्या है?

लिथियम-आयन बैटरी सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच आयन आंदोलन पर काम करती है। सिद्धांत रूप में इस तरह के तंत्र को हमेशा के लिए काम करना चाहिए, लेकिन साइकिल चलाना, ऊंचा तापमान और उम्र बढ़ने से समय के साथ प्रदर्शन कम हो जाता है। निर्माता एक रूढ़िवादी दृष्टिकोण लेते हैं और अधिकांश उपभोक्ता उत्पादों में 300 से 500 निर्वहन / चार्ज चक्र के रूप में ली-आयन का जीवन निर्दिष्ट करते हैं।

गिनती चक्रों पर बैटरी जीवन का मूल्यांकन करना निर्णायक नहीं है क्योंकि एक निर्वहन गहराई में भिन्न हो सकता है और चक्र का गठन करने के बारे में स्पष्ट रूप से परिभाषित मानक नहीं हैं। चक्र गणना के बदले, कुछ डिवाइस निर्माता डेट स्टैंप पर बैटरी प्रतिस्थापन का सुझाव देते हैं, लेकिन यह विधि खाते में उपयोग नहीं करती है। भारी उपयोग या प्रतिकूल तापमान की स्थिति के कारण आवंटित समय के भीतर बैटरी विफल हो सकती है; हालांकि, अधिकांश पैक स्टैम्प इंगित करने की तुलना में काफी लंबे समय तक चलते हैं।

बैटरी का प्रदर्शन क्षमता में मापा जाता है, एक प्रमुख स्वास्थ्य संकेतक। आंतरिक प्रतिरोध और स्व-निर्वहन भी भूमिका निभाते हैं, लेकिन आधुनिक ली-आयन के साथ बैटरी जीवन के अंत की भविष्यवाणी करने में ये कम महत्वपूर्ण हैं।

चित्रा 1 में 11 ली-पॉलिमर बैटरी की क्षमता ड्रॉप को दर्शाया गया है जो एक कैडेक्स प्रयोगशाला में साइकिल चलाया गया है। मोबाइल फोन के लिए 1,500 एमएएच पाउच कोशिकाओं को पहले 1,500 एमए (1 सी) से 4.20 वी / सेल के वर्तमान में चार्ज किया गया था और फिर पूर्ण चार्ज संतृप्ति के हिस्से के रूप में 0.05 सी (75 एमए) तक संतृप्त होने की अनुमति दी गई थी। बैटरी को तब 1,500 एमए से 3.0 वी / सेल पर छोड़ा गया, और चक्र दोहराया गया। ली-आयन बैटरी की अपेक्षित क्षमता हानि 250 चक्रों और समान बैटरी के रूप में प्रदर्शित की गई थी।

एक कैडेक्स सी 7400 बैटरी विश्लेषक पर ग्यारह नए ली-आयन का परीक्षण किया गया था। सभी पैक 88-94% की क्षमता से शुरू हुए और 250 पूर्ण निर्वहन चक्रों के बाद 73-84% की कमी हुई। मोबाइल फोन में 1500 एमएएच पाउच पैक का इस्तेमाल किया जाता है।

निम्नलिखित सारणी कोबाल्ट आधारित लिथियम-आयन पर तनाव से संबंधित क्षमता हानि को इंगित करती हैं। लिथियम लौह फॉस्फेट और लिथियम टाइटेनैट के वोल्टेज कम हैं और दिए गए वोल्टेज संदर्भों पर लागू नहीं होते हैं।
यद्यपि बैटरी को सेवा के पहले वर्ष के दौरान 100 प्रतिशत क्षमता प्रदान करनी चाहिए, लेकिन निर्दिष्ट क्षमताओं से कम देखना आम बात है, और शेल्फ लाइफ इस नुकसान में योगदान दे सकता है। इसके अलावा, निर्माता अपनी बैटरी को ओवरराइट करते हैं, यह जानते हुए कि बहुत कम उपयोगकर्ता स्पॉट-चेक करेंगे और कम होने पर शिकायत करेंगे। मल्टी-सेल पैक में आवश्यक मोबाइल फोन और टैबलेट में एकल कोशिकाओं से मेल नहीं खाते हैं, इसलिए व्यापक प्रदर्शन स्वीकृति के लिए बाढ़ को खोलता है। कम क्षमताओं वाले सेल उपभोक्ता को जानने के बिना दरारों के माध्यम से फिसल सकते हैं।

एक यांत्रिक उपकरण के समान जो भारी उपयोग के साथ तेजी से पहनता है, निर्वहन की गहराई (डीओडी) बैटरी की चक्र गणना निर्धारित करता है। डिस्चार्ज छोटा (कम डीओडी), बैटरी जितनी देर तक चली जाएगी। यदि संभव हो, तो पूर्ण निर्वहन से बचें और उपयोग के बीच बैटरी को अधिक बार चार्ज करें। ली-आयन पर आंशिक निर्वहन ठीक है। कोई स्मृति नहीं है और बैटरी को जीवन भरने के लिए आवधिक पूर्ण निर्वहन चक्र की आवश्यकता नहीं है। अपवाद स्मार्ट बैटरी या बुद्धिमान डिवाइस पर ईंधन गेज का आवधिक अंशांकन हो सकता है।

तालिका 2 का अनुमान है कि बैटरी की क्षमता 70 प्रतिशत तक गिरने से पहले डिस्चार्ज / चार्ज चक्रों की संख्या ली-आयन विभिन्न डीओडी स्तरों पर पहुंच सकती है। डीओडी तालिका में संकेतित राज्य प्रभारी (एसओसी) स्तर के निर्वहन के बाद एक पूर्ण शुल्क का गठन करता है।

गर्मी के संपर्क में होने पर लिथियम-आयन तनाव से पीड़ित होता है, इसलिए एक सेल को उच्च चार्ज वोल्टेज पर रखता है। 30 डिग्री सेल्सियस (86 डिग्री फ़ारेनहाइट) से ऊपर की बैटरी को ऊंचा तापमान माना जाता है और अधिकांश ली-आयन के लिए 4.10V / सेल से अधिक वोल्टेज उच्च वोल्टेज के रूप में समझा जाता है । बैटरी को उच्च तापमान तक एक्सपोज़ करना और एक विस्तारित समय के लिए पूर्ण राज्य में रहने के लिए साइक्लिंग से अधिक तनावपूर्ण हो सकता है। तालिका 3 तापमान और एसओसी के एक समारोह के रूप में क्षमता हानि दर्शाता है।

अधिकांश ली-आयन 4.20 वी / सेल तक चार्ज करते हैं, और 0.10 वी / सेल के शिखर चार्ज वोल्टेज में प्रत्येक कमी चक्र चक्र को दोगुना करने के लिए कहा जाता है। उदाहरण के लिए, 4.20V / सेल पर लगाए गए लिथियम-आयन सेल में आमतौर पर 300-500 चक्र होते हैं। यदि केवल 4.10 वी / सेल पर चार्ज किया जाता है, तो जीवन 600-1,000 चक्र तक बढ़ाया जा सकता है; 4.0V / सेल को 1,200-2,000 और 3.90 वी / सेल वितरित करना चाहिए 2,400-4,000 चक्र प्रदान करना चाहिए।

नकारात्मक तरफ, कम चोटी चार्ज वोल्टेज बैटरी स्टोर्स की क्षमता को कम कर देता है। एक साधारण दिशानिर्देश के रूप में, चार्ज वोल्टेज में हर 70 एमवी कमी कुल क्षमता को 10 प्रतिशत कम करती है। बाद के चार्ज पर पीक चार्ज वोल्टेज को लागू करने से पूर्ण क्षमता बहाल हो जाएगी।

दीर्घायु के मामले में, इष्टतम चार्ज वोल्टेज 3.92 वी / सेल है। बैटरी विशेषज्ञों का मानना ​​है कि यह सीमा सभी वोल्टेज से संबंधित तनाव को समाप्त करती है; कम होने से और लाभ नहीं मिल सकते हैं लेकिन अन्य लक्षणों को प्रेरित करते हैं। तालिका 4 चार्ज के स्तर के रूप में क्षमता को सारांशित करता है। (सभी मूल्यों का अनुमान लगाया जाता है; उच्च वोल्टेज थ्रेसहोल्ड वाले ऊर्जा कक्ष विचलित हो सकते हैं।)

प्रयोग: चल्मर यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी, स्वीडन, रिपोर्ट करता है कि 50% एसओसी के कम चार्ज स्तर का उपयोग वाहन ली-आयन बैटरी की आजीवन प्रत्याशा 44-130% बढ़ जाती है।

मोबाइल फोन, लैपटॉप, टैबलेट और डिजिटल कैमरे के लिए अधिकांश चार्जर ली-आयन 4.20 वी / सेल तक चार्ज करते हैं। यह अधिकतम क्षमता की अनुमति देता है, क्योंकि उपभोक्ता इष्टतम रनटाइम से कम कुछ भी नहीं चाहता है। दूसरी ओर उद्योग, दीर्घायु के बारे में अधिक चिंतित है और कम वोल्टेज दहलीज चुन सकता है। उपग्रह और इलेक्ट्रिक वाहन ऐसे उदाहरण हैं।

सुरक्षा कारणों से, कई लिथियम-आयन 4.20V / सेल से अधिक नहीं हो सकते हैं। (कुछ एनएमसी अपवाद हैं।) जबकि उच्च वोल्टेज क्षमता बढ़ाता है, वोल्टेज से अधिक सेवा जीवन को कम करता है और सुरक्षा समझौता करता है। चित्रा 5 चार्ज वोल्टेज के एक समारोह के रूप में चक्र गणना दर्शाता है। 4.35 वी पर, नियमित ली-आयन की चक्र गणना आधे में कट जाती है।

किसी दिए गए एप्लिकेशन के लिए सबसे उपयुक्त वोल्टेज थ्रेसहोल्ड चुनने के अलावा, एक नियमित ली-आयन एक विस्तारित समय के लिए 4.20V / सेल की उच्च वोल्टेज छत पर नहीं रहना चाहिए। ली-आयन चार्जर चार्ज चालू कर देता है और बैटरी वोल्टेज एक और प्राकृतिक स्तर पर वापस आ जाता है। यह एक कठोर अभ्यास के बाद मांसपेशियों को आराम करने जैसा है।

चित्रा 6 विभिन्न चार्ज और डिस्चार्ज बैंडविड्थ पर साइक्लिंग ली-आयन पर क्षमता हानि को दर्शाते हुए गतिशील तनाव परीक्षण (डीएसटी) को दर्शाता है। सबसे बड़ी क्षमता हानि तब होती है जब पूरी तरह से चार्ज ली-आयन को 25 प्रतिशत एसओसी (काला) में छोड़ दिया जाता है; पूरी तरह से छुट्टी मिलने पर नुकसान अधिक होगा। 85 से 25 प्रतिशत (हरी) के बीच साइकल चलाना 100 प्रतिशत चार्ज करने और 50 प्रतिशत (गहरा नीला) निर्वहन करने से अधिक सेवा जीवन प्रदान करता है। ली-आयन को 75 प्रतिशत तक चार्ज करके और 65 प्रतिशत तक छुट्टी देकर सबसे छोटी क्षमता हानि प्राप्त की जाती है। हालांकि, यह बैटरी का पूरी तरह से उपयोग नहीं करता है। उच्च वोल्टेज और ऊंचे तापमान के संपर्क में सामान्य स्थिति के तहत साइकिल चलने से बैटरी को कम करने के लिए कहा जाता है।

^{सौजन्य: रिसर्च गेट - सेल लाइफ आकलन के लिए लिथियम-आयन बैटरी गिरावट का मॉडलिंग।
https://www.researchgate.net/publication/303890624_Modeling_of_Lithium-Ion_Battery_Degradation_for_Cell_Life_Assessment}

चक्र गणना पर तालिका 2 और चित्रा 6 के बीच विसंगतियां मौजूद हैं। बैटरी गुणवत्ता और परीक्षण विधियों में अंतर मानने के अलावा कोई स्पष्ट स्पष्टीकरण उपलब्ध नहीं है। कम लागत वाले उपभोक्ता और टिकाऊ औद्योगिक ग्रेड के बीच भिन्नता भी एक भूमिका निभा सकती है। क्षमता प्रतिधारण 20 डिग्री सेल्सियस की तुलना में ऊंचे तापमान पर तेजी से गिरावट आएगा।

केवल एक पूर्ण चक्र बैटरी की निर्दिष्ट ऊर्जा प्रदान करता है। एक आधुनिक ऊर्जा सेल के साथ, यह 250Wh / किग्रा है, लेकिन चक्र जीवन से समझौता किया जाएगा। सभी रैखिक होने के कारण, 85-25 प्रतिशत की जीवन-लंबी अवधि की सीमा 60 प्रतिशत तक कम कर देती है और यह 250Wh / kg से 150Wh / kg तक विशिष्ट ऊर्जा घनत्व को नियंत्रित करने के बराबर होती है। मोबाइल फोन उपभोक्ता सामान हैं जो बैटरी की पूरी ऊर्जा का उपयोग करते हैं। ईवी जैसे औद्योगिक उपकरण, आम तौर पर चार्ज को 85% तक सीमित करते हैं और बैटरी जीवन को बढ़ाने के लिए 25% तक निर्वहन करते हैं।

चित्रा 7 चित्रा 6 से डेटा को extrolates करता है ताकि एक एक्सट्रापोलेशन प्रोग्राम का उपयोग कर ली-आयन के अनुमानित चक्र जीवन का विस्तार किया जा सके जो प्रगतिशील साइकलिंग के साथ बैटरी क्षमता के रैखिक क्षय को मानता है। यदि यह सच था, तो 14,000 चक्रों के बाद 75% -25% एसओसी (नीला) 74 लीटर क्षमता के भीतर एक ली-आयन बैटरी चक्कर लगाई जाएगी। यदि इस बैटरी को उसी गहराई के डिस्चार्ज (हरे) के साथ 85% चार्ज किया गया था, तो क्षमता 14,000 चक्रों पर 64% तक गिर जाएगी, और उसी डीओडी (काला) के साथ 100% चार्ज के साथ, क्षमता 48% । अज्ञात कारणों से, वास्तविक जीवन प्रत्याशा नकली मॉडलिंग की तुलना में कम होती है।

ली-आयन बैटरी को तीन अलग-अलग एसओसी स्तरों और चक्र जीवन के लिए लगाया जाता है। चार्ज रेंज सीमित करना बैटरी जीवन को बढ़ाता है लेकिन ऊर्जा को कम करता है। यह वजन में वृद्धि और उच्च प्रारंभिक लागत में दर्शाता है।
^{उपयोग करने की अनुमति के साथ। OriginLab द्वारा इंटरपोलेशन / extrapolation।}

^{बैटरी निर्माता अक्सर 80 डीओडी वाली बैटरी के चक्र जीवन को निर्दिष्ट करते हैं। यह व्यावहारिक है क्योंकि बैटरी को सामान्य उपयोग के तहत चार्ज से पहले कुछ रिजर्व बनाए रखना चाहिए। ( बीयू -501 देखें : डिस्चार्जिंग के बारे में मूल बातें , "डिस्चार्ज साइकिल का गठन क्या होता है") डीएसटी (गतिशील तनाव परीक्षण) पर चक्र गणना बैटरी प्रकार, चार्ज समय, लोडिंग प्रोटोकॉल और ऑपरेटिंग तापमान से अलग होती है। लैब परीक्षण अक्सर उन संख्याओं को प्राप्त करते हैं जो फ़ील्ड में उपलब्ध नहीं हैं।}

उपयोगकर्ता क्या कर सकता है?

पर्यावरण की स्थिति, अकेले साइकिल नहीं चलती, लिथियम आयन बैटरी की दीर्घायु को नियंत्रित करती है। सबसे खराब स्थिति ऊंचा तापमान पर पूरी तरह चार्ज बैटरी रख रही है। बैटरी पैक अचानक मर नहीं जाते हैं, लेकिन रनटाइम क्षमता कम हो जाती है क्योंकि क्षमता कम हो जाती है।

लोअर चार्ज वोल्टेज बैटरी जीवन और इलेक्ट्रिक वाहनों और उपग्रहों का विस्तार करते हैं इसका लाभ उठाते हैं। उपभोक्ता उपकरणों के लिए भी इसी तरह के प्रावधान किए जा सकते हैं, लेकिन इन्हें शायद ही कभी दिया जाता है; योजनाबद्ध अशुभता इसका ख्याल रखती है।

एसी ग्रिड से कनेक्ट होने पर चार्ज वोल्टेज को कम करके लैपटॉप बैटरी को लंबे समय तक बढ़ाया जा सकता है। इस सुविधा को उपयोगकर्ता के अनुकूल बनाने के लिए, डिवाइस में "लांग लाइफ" मोड होना चाहिए जो बैटरी को 4.05V / सेल पर रखता है और लगभग 80 प्रतिशत का एसओसी प्रदान करता है। यात्रा करने से एक घंटे पहले, उपयोगकर्ता 4.20V / सेल पर चार्ज लाने के लिए "पूर्ण क्षमता" मोड का अनुरोध करता है।

सवाल पूछा जाता है, "क्या मुझे अपने लैपटॉप को बिजली ग्रिड से डिस्कनेक्ट करना चाहिए जब उपयोग में नहीं?" सामान्य परिस्थितियों में यह आवश्यक नहीं होना चाहिए क्योंकि ली-आयन बैटरी भरने पर चार्जिंग बंद हो जाती है। एक टॉपिंग चार्ज केवल तब लागू होता है जब बैटरी वोल्टेज एक निश्चित स्तर पर गिर जाता है। अधिकांश उपयोगकर्ता एसी पावर को नहीं हटाते हैं, और यह अभ्यास सुरक्षित है।

आधुनिक लैपटॉप पुराने मॉडल की तुलना में कूलर चलाते हैं और रिपोर्ट की गई आग कम होती है। एक बिस्तर या तकिया पर एयर कूलिंग के साथ बिजली के उपकरणों को चलाने के दौरान हमेशा एयरफ्लो को अनबन्धित रखें। एक अच्छा लैपटॉप बैटरी जीवन को बढ़ाता है और आंतरिक घटकों की सुरक्षा करता है। एनर्जी सेल, जो कि अधिकांश उपभोक्ता उत्पादों के पास 1 सी या उससे कम पर चार्ज किया जाना चाहिए। तथाकथित अल्ट्रा-फास्ट चार्जर से बचें जो ली-आयन को एक घंटे से भी कम समय में पूरी तरह चार्ज करने का दावा करते हैं।