Почему литий-ионные аккумуляторы должны храниться при 40%-ном заряде?
Введение
Одним из ключевых факторов долговечности литий-ионных элементов является правильный уровень заряда при хранении.
Исследования производителей (Panasonic, LG, Samsung SDI) показали, что оптимальное состояние хранения находится в диапазоне 30–50 % SoC (state of charge).
При этом 40 % принято считать инженерным компромиссом между химической стабильностью электродов и готовностью к последующему использованию.
Химическая основа явления
В литий-ионном аккумуляторе происходит обратимая миграция ионов Li⁺ между анодом и катодом.
При высоком заряде (более 4,1 В) в аноде остаётся избыточное количество ионов лития, что:
-
увеличивает внутреннее напряжение решётки графита;
-
активирует разложение электролита;
-
ускоряет рост пассивной плёнки SEI (Solid Electrolyte Interphase);
-
вызывает потерю подвижных ионов и падение ёмкости.
При разряде ниже 3,0 В начинается обратная деградация катода — структурные изменения оксидов кобальта и никеля.
Таким образом, уровень около 40 % (≈ 3,7–3,8 В) минимизирует оба процесса.
Инженерное объяснение оптимального диапазона
|
Параметр |
100 % заряда |
40 % заряда |
0 % заряда |
|
Напряжение элемента |
4,20 В |
3,75 В |
3,0 В |
|
Скорость деградации |
высокая |
минимальная |
умеренная |
|
Риск теплового разгона |
↑ |
низкий |
низкий |
|
Потеря ёмкости за год |
15–20 % |
2–4 % |
8–10 % |
|
Готовность к использованию |
мгновенная |
средняя |
требует подзаряда |
Оптимальное хранение при 3,75–3,8 В обеспечивает химическое равновесие между катодом и анодом и минимальный газовыделительный эффект.
Влияние температуры
Температура хранения имеет не меньшее значение, чем уровень заряда:
-
при +25 °C деградация идёт умеренно;
-
при +40 °C — ускоряется в 2–3 раза;
-
при +60 °C — ресурс сокращается в 10 раз.
Для инженерных расчётов применяется модель Аррениуса, где скорость старения увеличивается экспоненциально с ростом температуры:
k = A · exp(–Ea/RT)
Поэтому хранение при 40 % SoC и +15 °C считается промышленным стандартом для элементов Li-ion и Li-polymer.
Типичные ошибки при хранении
-
длительное содержание полностью заряженных батарей;
-
хранение при нуле или отрицательном заряде;
-
отсутствие температурного контроля на складе;
-
игнорирование периодической подзарядки при долгом хранении;
-
использование упаковок без термоизоляции.
Эти факторы приводят к необратимому увеличению ESR и потере ёмкости уже через 6–8 месяцев.
Рекомендации инженеров по долгосрочному хранению
-
поддерживать заряд 35–45 %;
-
температура +10…+20 °C, влажность < 65 %;
-
раз в 6 месяцев проводить подзарядку до 3,8 В;
-
не хранить более 12 месяцев без проверки ESR;
-
использовать герметичные контейнеры с осушителем.
Пример расчёта деградации
При хранении аккумулятора Samsung INR18650-30Q:
-
при 100 % SoC и +25 °C потеря ёмкости за год ≈ 18 %;
-
при 40 % SoC и +25 °C — всего ≈ 3 %;
-
при 40 % SoC и +40 °C — около 8 %.
То есть соблюдение условий хранения увеличивает срок службы в 5–6 раз.
Инженерные выводы
-
Оптимальный диапазон хранения: 3,65–3,80 В (≈ 40 %).
-
При повышенной температуре необходимо снижать напряжение до 3,6 В.
-
Перед первым использованием после длительного хранения — зарядка до 4,1 В для восстановления SEI.
-
Не использовать элементы, хранившиеся более двух лет без контроля параметров.
Заключение
Хранение литий-ионных аккумуляторов при 40 % заряда — это не рекомендация производителей, а инженерная необходимость.
Такой уровень поддерживает химическую стабильность электродов, предотвращает перегрев и снижает риск деградации.
Для конструкторов и закупщиков это значит, что даже на этапе логистики и складирования можно увеличить ресурс батарейных систем без дополнительных затрат.
