Verkürzt das vollständige Entladen eines Lithium-basierten Akkus dessen Lebensdauer?

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Da AccuBattery auf ein anderes Papier verweist als das, das sie tatsächlich zitiert haben, wollte ich noch einmal überprüfen, ob sie das Papier korrekt dargestellt haben ... und das tun sie. Hier ist die Zusammenfassung von Choi und Lim (die ihre Zugehörigkeit zu Samsung angaben) „Faktoren, die die Lebensdauer und mögliche Degradationsmechanismen einer auf LiCoO2 basierenden Li-Ionen-Zelle beeinflussen“ (2003):

An einer Lithium-Ionen-Zelle (Li-Ion) wurde ein umfassender Test unter einer Vielzahl von Zyklenbedingungen durchgeführt, um Faktoren zu bewerten, die sich auf ihre Lebensdauer auswirken. Die Studie wird an einer gewickelten prismatischen Zelle mit 900 mAh durchgeführt, die eine positive LiCoO2-Elektrode (Kathode) und eine negative Elektrode aus synthetischem Graphit (Anode) enthält. Die Lebensdauer wird stark von den Ladebedingungen beeinflusst, ist jedoch relativ unempfindlich gegenüber den Entladebedingungen . Hohe Ladeschlussspannungen und eine lange Float-Charge-Periode bei 4,2 Vor darüber haben die schwerwiegendsten Auswirkungen auf die Zyklenlebensdauer. Ein weiterer schädlicher Zustand sind hohe Laderaten über der 1C -Rate, aber eine Verringerung der Entladetiefe verbessert die Zykluslebensdauer nicht im Gegensatz zu anderen wiederaufladbaren Batterien wie Alkali- und Blei-Säure-Batterien. Die Abhängigkeit der Degradationsrate von der Ladespannung und der Dauer der hohen Ladespannung legt nahe, dass eine elektrochemische Oxidation die Ursache sein könnte.

Und ausführlicher im Papier-Volltext:

Um den DoD-Effekt auf die Zyklenleistung abzuschätzen, ist die Kapazitätsänderung für ein Regime, in dem die Entladung bei verschiedenen Spannungen im Bereich von 2,75 bis 3,55 V nach dem vollständigen Laden der Zelle mit der 1C-Rate unterbrochen wurde, in Abb. 5 dargestellt. Nr innerhalb von 500 Zyklen wird eine merkliche Abhängigkeit der Rate der Kapazitätsabnahme mit dem Radfahren von der DoD beobachtet.

Ihre Schlussfolgerung leitet sich wahrscheinlich aus der Tatsache ab, dass die Steigungen aller Linien in der obigen Grafik gleich zu sein scheinen, die Degradation also unabhängig von der DoD (Entladungstiefe) erscheint. (Nebenbei, die niedrigere Entladespannung ergibt eine höhere [nutzbare] Kapazität.)

Die schwierigere Frage ist, ob alle Li-Ionen-Batterien so sind, denn die Studie von Choi und Lim ist in ihrem Umfang ziemlich eng.

Etwas mehr Suche fand ein Papier von Avestor Boffins aus dem Jahr 2006, das signifikante DoD-Effekte auf die Zykluslebensdauer für LMP-Batterien (Lithium-Metall-Polymer) mit Vanadiumoxid-Kathode feststellt. Soweit ich weiß, ist dieser Batterietyp in der Unterhaltungselektronik jedoch nicht weit verbreitet. Und Avestor schloss nicht sehr spät danach...

Ich habe auch einige Folien aus einem Projekt der Universität Aachen namens Batteries2020 gefunden , das eine geringfügige Verschlechterung mit DoD zeigt (2,5 % Kapazitätsverlust nach ~1000 Zyklen bei 25 ° C Betriebstemperatur und 15 % bei 45 ° C):

Leider wird in diesen Folien nicht die genaue Chemie der getesteten Zellen angegeben (außer "Li-Ion" im Titel der Präsentation). Vielleicht haben sie irgendwo ein Papier, wo das detailliert ist.

Ich denke also, dass die Aussage von Choi & Lim (und wie AccuBattery) in Anbetracht des letzteren ungefähr richtig ist, es sei denn, Sie interessieren sich für diese zusätzlichen 2,5-15% nach tausend Zyklen. Umgekehrt, wenn Sie beabsichtigen, Millionen von Zyklen anstelle von Tausenden zu erreichen (wie letzteres normalerweise in der Unterhaltungselektronik ausgelegt ist), wäre DoD ein erhebliches Problem.

Und ein Artikel, der sich mit 18650-Batterien für den Einzelhandel befasste, fand in einigen Zellen ein inkonsistentes Verhalten mit der Theorie:

Fig. 4 zeigt auch, wie teilweise zyklisierte Zellen im Vergleich zu vollständig zyklierten Zellen altern. Für die Sanyo- und Panasonic-Zellen gibt es einen klaren Trend, dass teilweise zyklisierte Zellen mit jedem Zyklus weniger altern als bei vollständigen Zyklen, wie erwartet. Da teilgetaktete Zellen jedoch in jedem Zyklus weniger Ladung und Energie aufnehmen und abgeben als vollgetaktete Zellen, ist ein Vergleich auf Basis von Zyklen etwas weniger aussagekräftig als ein Vergleich auf Basis des kumulierten Energiedurchsatzes, wie in Abb. 5 dargestellt Der Vergleich der Zellen durch Anpassen linearer Kurven an die Energiedurchsatzmessungen ergibt ein nicht schlüssiges Ergebnis, wie in Tabelle IV gezeigt. Während bei beiden Arten von Panasonic-Zellen und den UF4900-Zellen die Teilzyklen zu einer geringeren durchschnittlichen Degradation pro Energiedurchsatz führen als Vollzyklen, die San2600- und UF4200-Zellen stellen fest, dass Teilzyklen zu einer höheren Degradation führen. Dieses widersprüchliche Ergebnis deutet darauf hin, dass die Stichprobengröße von zwei Zellen pro Typ und Entladezyklus für aussagekräftige Studien zum Einfluss geringfügiger Zyklusvariationen auf die Alterung nicht ausreicht.

Und noch ein Papier mit einem seltsamen Ergebnis, was die Wirkung von DOD betrifft:

Die Grenzspannung der Entladestufe (V2) reicht von 3,0 V bis 2,4 V. Abb. 9 zeigt, dass die Kapazität am schnellsten abnimmt, wenn die Spannung auf ihrem mittleren Niveau (2,5 V) liegt. Dieses Ergebnis unterscheidet sich von Abb. 5 der Studie von Choi [28] darin, dass die DOD innerhalb von 500 Zyklen wenig Einfluss auf die Alterung hat. Der Grund für das Phänomen, dass Zellen bei V2 = 2,5 V schneller altern als bei V2 = 2,4 V, ist nicht vollständig geklärt.

Ihre wichtigsten Ergebnisse/Zusammenfassung (um die Abbildung besser zu erklären):

Die Alterungsrate unter Zyklenbedingungen für Lithium-Ionen-Zellen wird von vielen Faktoren beeinflusst. Sieben Hauptfaktoren werden systematisch untersucht, indem ein orthogonales Design von Experimenten verwendet wird, und eine statistische Analyse wurde verwendet, um die Reihenfolge der Hauptfaktoren in Bezug auf die Stärke beim Verursachen von Kapazitätsschwund zu identifizieren. Diese sieben Hauptfaktoren sind: die Lade- und Entladeströme (i1, i2) während des Konstantstromregimes, die Lade- und Entlade-Abschaltspannungen (V1, V2) und die entsprechenden Zeitdauern (t1, t2) während des Konstantspannungsregimes, und die Umgebungstemperatur (T). Für die Experimente wurde ein orthogonales Array mit 18 Testeinheiten ausgewählt. Die Testergebnisse zeigen, dass (1) während der anfänglichen Kapazitätsschwundperiode von 10 % die Kapazität für alle Testbedingungen linear mit dem Wh-Durchsatz abnahm; (2) nach der Anfangsphase, Bestimmte Radfahrbedingungen verschlimmerten die Alterungsraten, während die anderen gleich blieben. Die statistischen Ergebnisse zeigen, dass: (1) außer t1 die anderen sechs Hauptfaktoren die Alterungsrate signifikant beeinflussen; (2) Die Stärke der Hauptfaktoren wurde wie folgt eingestuft: i1 > V1 > T > t2 > V2 > i2 > t1.

Eine weitere Studie, die in den Niederlanden im Rahmen einer Doktorarbeit von Li D. im Jahr 2017 über LFP-Batterien durchgeführt wurde, ergab Ergebnisse (S. 139-140), die denen von Batteries2020 etwas ähneln (hoffentlich sind es nicht die gleichen Daten). Wieder bei einer Umgebungstemperatur von 20 ° C entladen, hatte die DoD nur einen geringen Gesamteffekt (unter 5 %), aber dies wird bei höheren Temperaturen ausgeprägter ... aber es gibt auch eine interessante Umkehrung, wenn man den Energiedurchsatzverlust betrachtet und nicht nur den Zyklusverlust, weil mit gefahren wird ein kleineres Ladezustandsfenster entzieht der Batterie pro Zyklus weniger Energie. In Bezug auf den Energiedurchsatzverlust war das Entladen von DoD 0 % auf 100 % weniger schädlich als das Entladen von 70 % auf 100 % über 40 °C Umgebungstemperatur. Bei 60 °C Umgebungstemperatur schnitten alle Teilentladungen schlechter ab als eine vollständige Entladung in Bezug auf den Energiedurchsatzverlust.

Aus Abb. 6.20b und c folgt, dass die Abnahmerate von [max. Ladung / max. Anfangsladung] für SoC = 0–100 % kleiner ist als das Radfahren im Bereich von SoC = 70–100 % bei 40 °C (Abb. 6.20 b) und ist im Vergleich zu anderen Partial-Cycling-SoC-Fenstern bei 60 °C klein (Abb. 6.20c).

Um aus all dem eine Schlussfolgerung zu ziehen, sieht es so aus, als ob die Auswirkung einer vollständigen Entladung einer Li-Ionen-Batterie (verschiedener Chemie) für die Unterhaltungselektronik ziemlich vernachlässigbar ist. BU ist technisch korrekt, dass Li-Ion-Akkus (wie die meisten wiederaufladbaren) weniger Kapazität pro Zyklus verlieren, wenn sie nicht vollständig entladen sind, aber dieser Verlust ist für Li-Ion-Akkus bei der üblichen Raumtemperatur für Unterhaltungselektronik ziemlich gering, was das Wesentliche ist das von AccuBattery zitierte Papier; Die letztgenannte Seite übertreibt ihre Feststellung, indem sie behauptet, der Effekt sei Null, was aufgrund von Daten aus Studien, die eine bessere Schätzung des kleinen Effekts ermöglichen, nicht der Fall zu sein scheint. Außerdem liefert ein Zyklus mit kleinerem Ladezustandsfenster auch weniger Energie,