聊一聊如何延长锂电池的寿命

2019-08-25 22:52:38 27

本文针对手机等移动设备的电池,即锂离子(主要是钴酸锂)电池;本文的所说的“寿命”,指的是电池容量衰减到80%之前的使用量——比方说,电池累计充放1000Ah后容量下降到80%,当然比累计充放500Ah后容量下降到80%要好。

本文的内容基本上是根据一些已有结论的定性推论,不保证准确和完全正确,仅供参考。

网上关于保护锂电池的科普已经很多,许多东西已经老生常谈,但本文仍然进行简述。如果对锂电池的保护已经有一定的了解,前半部分可以略读过去。而如果只想要结论,接近文末的地方有非常精简的总结。


一、一些已经广为人知的基础知识


锂离子电池作为可充电电池,具有能量密度大等诸多优点,现在被广泛使用于数码产品中。

(1)一些早期的充电电池,例如镍镉电池,具有记忆效应。如果用电没有用完就开始充电,那么下次放电再放到这个地方,就不能再放下去了,导致电池容量的减少;如果电池没有充满就开始放电,那么下次充电再充到这个地方,就不能在充进去了,也导致容量的减少。因此,对于镍镉电池等具有记忆效应的电池,最好的使用方法就是用完了再充,充满了再用。
锂电池则没有这一效应。正相反,对锂电池进行满充满放,对锂电池的容量损伤极大。因此,锂电池不需要满充满放。

(2)锂电池无论过充还是过放都是危害极大的。如果过充,会永久损害锂电池的容量;再过充下去,则有爆炸等风险。不过,将锂电池设备一晚上插着充电,是没有过充危险的,因为这些设备当然都会在充满的时候停止充电或者将电流降到极小(仅以此弥补一晚上的少量电量消耗)。事实上,我平时DIY的时候用的十块钱的18650锂电池都有内置保护板,那么在手机等上,就更是肯定会有了。

如果过放,那么锂电池就会充不进电了,已经无法直接使用,需要拆出来进行特殊激活;再过放,就会彻底“饿死”,完全无法使用。因此,由于锂电池自身有一定轻微自放电,长期存放锂电池设备前必须确保设备有一定电量,以免电池饿死;每过一定时间,也要检查一下是否需要补电。

(3)锂电池的寿命确实与充电电流(或者说,充电速率)有关系。因此,可以说,锂电池的寿命是和电源有关的。一般来说,使用快充的话,锂电池使用寿命会低一些。不过,只要电流不超过1小时充满的量,充电速率对于寿命的影响是不显著的。
而使用充电宝、电脑USB接口等充电,惟一的“问题”就是供电电流比较小,充得很慢;对于电池寿命,这是没有损害的。除了极其劣质的充电器以外,现在的设备已经基本不挑充电电源了,不像早期每个手机电池必须搭配专门的充电器。更慢的充电电流反而更呵护电池。

(4)锂电池最好工作在室温下。高温下使用锂电池、给锂电池充电或者长时间存放锂电池,会永久性减少容量。低温(<0℃)下给锂电池充电会造成永久性损伤,不过仅仅是低温下使用,基本只会临时地体验到容量降低,等回到正常温度后会恢复。较低温下存放锂电池没有太大问题,不过不能在过于低的温度下存放过久。


二、更详细的知识


锂电池的容量损失是一个极其复杂的过程,涉及非常多的因素。这里没有篇幅解释每个因素具体是通过什么机制产生影响的,但是简单列举一下这些因素。

锂电池的容量损失主要可以分成两块:随时间发生的容量损耗(calendar aging)(把锂电池搁着不用,时间长了容量也会降低)与使用所带来的容量损耗(cycle aging)。

关于前者,涉及因素主要有:

充电状态(State of Charge)。这个是指电量处于总容量多少的地方。比如说,是40%或者60%;

温度 (Temperature);

存放时间(time)。


关于后者,涉及因素主要有:

每次的充放深度(Depth of Discharge)。比方说,你是每次从0%充到100%,再放到0%再充电,还是用到20%电量提示就开始充电,而且充到80%就拔下插头,这是不一样的;

充电状态(State of Charge),也就是通常所说的电量。对于同样的DoD,平均SoC可以不同。比如说,在保持电量在40%~100%之间循环,和保持在20%~80%之间,虽然充放深度一样,由于充电状态不一样,对电池的影响是不一样的;

充电倍率(rate of Charge)。如果说充电电流能在1小时内把电池充满,我们就说充电倍率平均是1C;如果说充电电流在2小时内把电池充满,我们就说充电倍率平均是0.5C;等等;

温度(Temperature);

循环数量(Number of cycles)。显然,循环两百个周期比一百个周期的损耗更大……

此外,还有一些我们几乎不可控的因素。比如说处于刚开始使用的阶段的锂电池,会经历一个固体电解质相界面膜(SEI film)的形成过程。这个过程会消耗一定量的锂离子。只要需要使用电池,这个过程就绕不过去,所以我们就不必过度考虑它了。


Calendar aging与cycle aging是基本独立的,因此,如果可以让设备直接使用外接电源而不使锂电池参与充放电,那么就可以免除cycle aging,对锂电池的寿命是有益的。不过,具体应该停留在什么SoC呢?这就是下面要讨论的:关于各个因素对于锂电池寿命损耗的影响的定性规律。

(1)充电状态(State of Charge)

研究表明,SoC更低时,无论是calendar aging还是cycle aging都会得到延缓。因此,如果我们想要尽量减少锂电池的寿命衰减,就应当保持它的电量较低。比如说,如果想让设备直接使用外接电源而不使锂电池参与充放电,那么将电量保持在40%会比保持在60%更好。

那么,只要使用需要允许,是否电量越低越好呢?这需要看你是让锂电池不参与充放电,比如说搁置存放或者只使用外接电源(此时只有calendar aging),还是要让它参与充放电(此时cycle aging占主导)。

在前者情况下,电量确实是越低越好。只不过,如果电量太低,忘记补电而造成电池饿死的风险就更大。在保证电池不会饿死的情况下,把电池放电到5%甚至近乎0%再存放的保护效果更好。

在后者情况下,情况略为复杂。电量太低时,电池内阻会升高。下面做一个极端的假设说明这个隐藏问题。某电池容量是10Wh。它的电量在0~10%的时候内阻很高,以至于你存进去1Wh的电把电量从0%充到10%,再取出来就只能用0.1Wh了,另外0.9Wh在设备工作的时候转化成了电池上的发热。这个时候,我们只获得0.1Wh的有效使用,却给电池造成了1Wh的cycle aging。而它的电量处在98~100%时内阻较低,把电量从98%充到100%虽然给电池造成的cycle aging只有0.2Wh,但使用时发热较少,同样可以获得0.1Wh的有效使用。虽然高电量下同样的0.2Wh电池的老化会比低电量时等量的0.2Wh的老化大,也很可能比低电量实际上的那1Wh带来的老化小。

我能找到的有限的资料数据当中,不太能看出在电量水平<20%的情况下,是高内阻带来的危害大,还是低电量下充电磨损轻的好处大,所以这里不能解答是否应当让电量这么低。不过可以确定的是,至少在40%以上的电量水平下,电池的内阻变化可以不计,因此譬如保持电量在40%±20%之间循环比起保持在60%±20%更有益。

(2)温度(Temperature)

什么温度对于锂电池最友好,不同研究得出的数据不完全一样,不过大致与人体舒适温度相仿。所以,把温度保持在使你舒适的室温即可。

在较高温度(差不多高于人的正常口腔温度)下,无论如何老化进程都快很多。

在较低温度(差不多0℃)下,存放基本没有问题,但若进行充电就会造成比平时更大的伤害。

在极低温度(差不多<20℃)下,即使存放也不太合适了。

(插一句:关于湿度的研究似乎很少见到,不过按照常识,想来不要太潮吧……)

(3)每次的充放深度(Depth of Discharge)
充放深度越浅越好。每天多进行几次较短时间的充电,比起每天把电几乎用完再在晚上一次充满要好得多。

大家可能会有一个问题:充电浅的话,循环数不是自然就更多了吗?比如说,如果按照100%的充放深度我们可以用500个循环,那么按照50%的深度我们不就当然指望可以用1000个循环了吗?其实不是这样的,研究者所称的每个循环都是以充放电量累计达到了100%为准的。在这种定义之下仍然得到充放越浅越好的结论,那就说明譬如说按照50%的深度可以指望充放2000次了。

(4)充电倍率(rate of Charge)
充电倍率低一些更好。如果不急,建议减少使用快充。不过,手机、平板这种数码产品的快充倍率顶顶多也就是大概2C,远远达不到研究者研究时发现伤害较大的5C乃至15C。因此,这些设备的充电倍率是一个影响相对较小的因素。

(5)时间(time)与循环数量(Number of cycles)

这就是显然的了,电池越新、用得越少,容量折损当然就越少。不过,如果有一台新的设备,把它放着少用就意味着更多的寿命被时光空空带走,而不是化作陪伴我们的使用时间。这似乎不仅仅是一个技术上的问题了。仁者见仁,智者见智吧。


总结一下上文:

尽量在室温使用锂电池和给电池充电;

择一个相对较低的电量水平,保持实际电量在它上下,而避免总是满电;

浅充浅放,少吃多餐;

少用快充。


本文介绍的主要是在电池处“开源”的办法。不过,这不是惟一的可取措施:在耗电器件处“节流”有同样的帮助。夜间不用时打开飞行模式、减少无意义操作(比如无聊地在屏幕上乱划手指)、使用低电量模式、关闭部分界面动画和效果等,都可以节约电能使用,进而也呵护了电池。更有像适当降低屏幕亮度、减少熬夜使用设备等的操作,除了节约了电能,还对你的健康有益。

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