リチウムイオン電池の寿命を延ばすには？

リチウムイオン電池は、正極と負極の間でイオンを移動させることによって機能します。理論的には、リチウムイオン電池はこのメカニズムの下で常に機能します。ただし、時間の経過とともに、温度の上昇や充放電サイクルによる電池の経年劣化により、電池の性能が低下します。メーカーは、ほとんどの市販のリチウムイオン電池のサイクル寿命が300〜500サイクルであるという控えめな見積もりを採用しています。

ただし、放電中に深い放電が発生する可能性があり、サイクル数の概念を特徴付ける明確な基準がないため、サイクル数でバッテリーの寿命を評価することは実用的ではありません。一部のデバイスメーカーは、サイクルカウントの特徴に加えて、日付スタンプを使用してバッテリーをいつ交換するかを示すことを推奨していますが、この方法は使用時の環境条件を無視し、信頼性もありません。過負荷または温度条件により、製品の寿命中にバッテリーが廃棄される場合がありますが、ほとんどのバッテリーパックの耐用年数は指定された時間を超えています。

バッテリーの性能は、バッテリーの容量によって特徴付けられます。これは、重要なバッテリーの安全性の指標でもあります。バッテリーの内部抵抗と自己放電はバッテリー容量に影響を与える可能性がありますが、この影響は新しいリチウムイオンバッテリーの最終寿命を決定するために無視できます。

図1は、Cadexラボサイクルテストにおける11個のリチウムポリマーバッテリーの容量低下を示しています。この携帯電話は1500mAhのポーチバッテリーを使用し、最初に1Cで4.2Vに充電され、次に0.05Cで完全に充電されます。続いて、バッテリーを1℃の速度で3.0Vまで放電し、このサイクルを繰り返した。 250サイクルを超えるサイクルにわたるリチウムイオン電池の予想される容量低下は、測定された容量低下と一致しています。

図1：バッテリー容量の減衰のサイクル後

11個の新しいリチウムイオン電池のサイクルテストは、CadexC7400電池分析装置によって実行されました。最初の放電時のすべてのバッテリーパックの容量は、初期容量の88〜94％でしたが、250サイクル後、73〜84％に減衰しました。そして、これらの1500mAhバッテリーパックは携帯電話で使用されています。 （Cadexから提供されたデータ）

バッテリーは、動作の最初の年にその容量の100％を解放する必要がありますが、通常は所定の容量よりも低く、未使用のバッテリーは容量の低下を引き起こします。また、メーカーは、苦情を言う消費者がほとんどいないことを知っているため、バッテリー容量を過剰に調整する傾向があります。さらに、ほとんどの携帯電話やタブレットは、複数のバッテリーパックを必要とせずに、単一のバッテリーを使用するだけで済みます。これにより、バッテリー性能の許容範囲が広くなるため、一部の貧弱なバッテリーは無視されます。

過負荷に使用される機械設備と同様に、深放電もバッテリーサイクル数の減少を引き起こす可能性があります。したがって、放電時間を短くすることは、電池の寿命を延ばすのに有利である。また、バッテリーの完全な放電や充電は極力避けてください。不完全放電はリチウムイオン電池にとって有益です。リチウムイオン電池にはメモリー効果がなく、電池の寿命を延ばすために定期的な完全放電サイクルを必要としません。ただし、燃料計やスマートデバイスなど、定期的に校正する必要がある例外があります。

表2は、リチウムイオン電池が充電および放電サイクルを行うのに必要なサイクルを、容量減少の70％と比較しています。充電電圧、温度、負荷電流などの他の変数がデフォルト設定です。

熱または高い充電電圧もリチウムイオン電池に大きな負担をかける可能性があります。ほとんどのリチウムイオン電池は30 ℃ （86 ° F）で温度が高く、高電圧のセル電圧あたり4.10Vを超えます。リチウムイオン電池のサイクルが圧力を上昇させるよりも、高温に長時間さらされると、完全に充電された電池になります。表3は、温度の関数としての容量損失を表しています。

ほとんどのリチウムイオンは4.20Vに再充電可能で、0.1 Vのカットオフ電圧を充電すると、バッテリー寿命のサイクルが2倍になります。たとえば、4.2 Vまでのリチウムイオン電池は、通常300〜500回ループする可能性があります。充電カットオフ電圧を4.10Vにすると、寿命は600〜1000サイクルに延長できます。 4.00 Vに設定すると、充電システムは1200〜2000サイクルを達成できます。 3.90 Vの場合、2400〜4000サイクルに達する可能性があります。

ただし、充電電圧が低いと、バッテリーの容量が減少する傾向があります。通常、70mvごとにカットオフ電圧を充電し、10％減らします。総容量はバッテリーを減らし、カットオフ電圧まで上昇し、容量の100％を取得します。

サイクル寿命の場合、リチウムイオン電池の最適な充電電圧は3.92Vです。バッテリーの専門家は、このしきい値が電圧関連の悪影響をすべて排除すると信じており、この値を下回ると、バッテリーに他の悪影響を与える可能性があります。表4は、さまざまな充電レベルでのバッテリー容量の状態をまとめたものです。すべての値は推定値です。

携帯電話、ラップトップ、タブレット、デジタルカメラはリチウムイオンバッテリー充電器の充電電圧を4.2 Vに設定して使用します。これも最大の容量を提供し、結局のところ、消費者にとって最初の選択肢です。一方、工場にとっては、バッテリーの寿命が優先されるため、低電圧しきい値を選択する傾向があります。たとえば、衛星や電気自動車では、バッテリーの寿命は容量の重要性よりも高くなります。

安全上の理由から、多くのリチウムイオン電池の充電電圧は4.2Vを超えることはできません（例外は、充電電圧が4.3Vの高エネルギー密度の三元材料電池です）。電圧が高くなるとバッテリーの容量が大幅に増加しますが、電圧が高くなると寿命が短くなり、安全性が低下します。図5にサイクル数と充電電圧の関係を示します。4.35Vでサイクル数が半分に減少します。

図5にサイクル数と充電電圧の関係を示します。

充電電圧を上げると、バッテリーの容量が増えますが、バッテリーのサイクル寿命と安全性も低下します[Choi etal。 （2002）]

与えられた条件に最適な電圧しきい値を選択することに加えて、リチウムイオン電池は通常、より長い寿命を達成するために、より高い電圧制限で動作するべきではありません。激しい運動の後に筋肉がリラックスする必要があるのと同じように、バッテリーが完全に充電された後、電圧を自然なレベルに戻すためにバッテリーを取り外す必要があります。実行中の充電器は、バッテリーが完全に充電されると自動的に充電を停止しますが、一部の充電器は、終端電圧が所定の値に低下しても充電を継続します。

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