专题:如何延长可充电电池的寿命

没有泥潭的日子就会稍微高产一点……
本文献给那些爱惜东西或是珍惜地球资源,并不希望简单暴力地把东西随便用坏再换一个的那些人们。

家用电子设备里常见的可充电电池就三种,镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池(包括钢壳锂离子电池、软包锂离子电池和锂离子聚合物电池)。

镍镉电池( NiCd / ニカド電池)世纪之交的时候还是一种流行的相对低成本的可充电电池方案,比如我的 CD 随身听 D-EJ775 就当年随机附带了如下的镍镉电池(图片来自电池博物馆)。因为镍镉电池有记忆效应不方便维护而且对环境有害,后期除了电动工具等少数大电流需求的场合以外已经完全被镍氢电池取代,而如今在大电流使用环境也被锂电池取代,彻底退出了历史舞台,不作为本文的重点。

本文的重点自然是现在家庭中最常见的锂离子电池和镍氢电池。

锂离子电池( Li-ion / リチウムイオン電池)常见于现在各类电器中,只要提到可充电则几乎都是锂电池。

介绍锂电池应该如何使用和保养的文章也有不少了,我就再重复和总结一下。电池分使用损耗和保存损耗两种损耗状况,锂电池的用法是无论使用还是保存都保持在一半左右的电量为佳。

来自 batteryuniversity 的资料:在下图里可以看到,电池充电的截止电压越高(换言之充得越满),电池损耗就越快。虽然将电池充得更满可以获得更高的可用容量,但是这个可用容量会随着电池损耗而变低,最后还不如充得不满的水平。

下图则是充放电深度和电池寿命的关系。这里可以用三条对比路线比较充放电深度对电池寿命的影响:
黑 – 红 – 深蓝色曲线都充到了 100%,差别在于放电的深度。放电越浅,电池寿命越长,但是影响并不是特别显著。
黑 – 绿 – 浅蓝色曲线都放到 25% 截止,差别在于充电的深度。充电越浅,电池寿命越长,而且从充满 100% 到只充 85% 截止带来的提升是飞跃性的。
浅蓝 – 紫 – 橙色曲线都充到 75% 截止,差别在于放电的深度。放电越浅,电池寿命越长,而且比黑 – 红 – 深蓝色曲线的差异更明显,说明 100% 满充对电池寿命的消耗更甚于深度放电,充到 75% 截止对电池寿命的影响相对轻微,深度放电的影响才变得显著起来。

因此我们可以归纳出锂电池在反复充放电过程中电极钝化的特性:深度充电尤其是充满电对电池损耗最大,然后是深度放电。很多厂商也设计了类似的功能来保护电池、增加电池循环寿命:索尼随身听有限制电池充电到 90% 的功能,很多笔记本电脑在 EC 中可以控制充到一定程度停止充电,等等。

然后是保存。锂基电池和镍基电池不一样,虽然二者都是保存温度越低越好,但是镍基电池并不在乎保存时的电量,而锂基电池不可以在高电量状态下保存,否则即便是室温也会造成永久性的电池损耗。

苹果也在官网有专题页面,阐述锂电池应该如何保存——简而言之就是保持一半电量和避免高温。
https://www.apple.com/cn/batteries/maximizing-performance/

这是我们买到的锂电池电器大多在到手时仅有一半左右电量的原因。如果充满再出厂,锂电池可能会在存储期间无端损失电量。
这也是行车记录仪、长期在办公室和家里固定使用的笔记本电脑等类似使用环境的设备最后电池报废的原因。以一般充放 500 个循环就损耗到 80% 的普通寿命锂电池来算,满电存放一年的锂电池就会达到和 500 次循环同等的讯号,相当于每天 1.4 个循环,尽管从电池的主控芯片来看可能实际并没有几个循环。
这也是很多习惯在晚上睡觉前把手机插上电源充电的用户会很快把手机电池用到报废的原因之一。白天可能就用掉大半个循环了,晚上再在满电状况下存放 7-8 个小时更加损耗电池。

长期满电最终会造成鼓包,不仅救不回来还有安全隐患。

总结一下使用和存储的要点就是避免深度充放电,将电量维持在 50%-60% 上下,长期不使用的话再隔几个月拿出来充一会电以维持电解液的活性,这样就可以最大程度地降低使用和存储对锂电池的损耗。这里我有两个正面例子,正好一个是使用,一个是存储。

上次返修(2018 年 7 月 30 日)回来以后平均每天超过一个循环的 iPhone 8,主要使用电量区间在 40%-70%,总之是平时上班时看到电量低于 50% 就放在无线充电器上充电,70% 左右就拿下来,电量低的时候还会经常使用 5V 2A 以上的快速充电,可以说二者都不是什么有利于电池寿命的充电手段,但是四百多个循环过去了电池并没有明显的损耗,如果有的话那就是我记得初始可能是 102.6%,现在轻微损耗到了 101.9%,虽然这个数值不准但很多人是用半年左右就跌破 100% 的。

曾经在「逆袭的 Skylake」篇中出镜,还剩两三个月就满三年的 Latitude E5270。平时大多数时间是插电放置,我设定了 50%-60% 的充电区间让 EC 自动控制充放电然后就不管了,不像手机没法做到自动控制还需要主动关注充放电情况,非常省心;偶尔拿去开个会就算激活电解液了,三年下来电池健康度也是 100%。

现在我还有一个正在使用中的是快要两年的任天堂 Switch,同样保持着不满充不过充的使用习惯。因为底座实在太方便了,恐怕很多人都会把主机往底座上一丢一天甚至好久,等到要出门的时候再拿起来带走,这画面太美我不敢看。目前为止我都是稍微充满一些就取下来放在一边,坚守不把底座当存储盒的原则,虽然 Switch 没有电池性能统计但也暂时感觉不出电池性能的衰退。

 

镍氢电池( Ni-MH / ニッケル水素電池)当年是作为比镍镉电池更先进的干电池电器可充电方案存在的,直到现在还在各类有干电池电池仓的电器上广泛使用。

和锂电比起来,镍氢则是完全不一样的规则。在上次买电池的时候我就查到过关于镍氢电池放电不能放太干净的说法,后来又翻到一篇松下的技术文档《ニッケル水素電池の5大特性》,里面更详细地介绍了镍氢电池的一些技术特点。
我先把这篇珍贵的资料放出来。ニッケル水素電池の5大特性 – Panasonic Industrial 从第 5 页开始有讲到镍氢电池的寿命特性。以放电深度来说,电池的寿命和放电深度成对数级别的反比例关系,因为正负极电压越接近,正极使用的导电剂和负极使用的金属电极就越会各自产生轻微的不可逆化学反应,所以浅放电对电池寿命来说是最好的。由图可以看出,按照松下推荐的放电 60%-70% 就去充电的使用方法算得 1500-2000 次循环寿命的电池,如果按 40% 放电去用的话寿命可以超过 5000 次,30% 的用法就会接近一万次!

但是不是说镍氢电池依然会有轻微的记忆效应吗?怎么能用一半就去充电呢?
记忆效应不仅是暂时的、可以恢复的,甚至不影响放到 1.0V 的放电时间(mah),只影响放电的电压(V)。对于一些电压不敏感的电器来说,有记忆效应也没有什么影响;对于电压要求较高的电器来说,记忆效应造成的放电电压下降现象可能令电器提前(镍氢电池电压放完之前)停止工作,长期用下来如果有比较明显的记忆效应则可以通过 1-2 次深放电来恢复。

至于厂商吹嘘的“低自放电电池没有记忆效应”一说究竟如何呢?家電 Watch 有做过一篇评测,实测 eneloop lite 也是有的,但也要反复中途充电几十次以后才有比较明显的记忆效应出现,且能在一次刷新之后就恢复。也有其他人做过实验需要刷新三四次的,不过他用的是初版的 eneloop 一代,而且使用环境是数码相机所以对电压要求本来就高。
深究一下,当年 eneloop 说的其实是“我们的放电电压本来就比较高,所以低一点也没什么”——「従来型のニッケル水素電池よりも電圧を引き上げ、メモリー効果を回避した」hhhhh

至于保存就简单多了,高温会导致电池衰减,低温可能因结露导致电极生锈,常温放置就好;镍氢自放电比较明显,长期满电也没有问题(和锂电池相反,欠电反而不好),所以充满电就好。虽然长期保存也可能导致容量下降,松下却还吹了自己一波“我们的电池充几次就恢复了”。

总结一下锂电池和镍氢电池的使用和存放要求如下:

现实情况是绝大部分锂电池电器都无法提供电池未充满即停止的功能,会因为过充(对,充到 100% 就是过充)而影响寿命;反过来在镍氢电池电池那边只有部分低端产品无法提供电池充满即停止的功能,会因为过充影响寿命,所以我认为差不多性能的东西,镍氢电池的使用要求更加简单,更加便于实际操作。
镍氢电池可以长期满电存放,更适合电动牙刷、剃须刀、双模鼠标(G700)这种平时长期插在充电器上、临时才用一下电池的场合,以及键盘、遥控器这种耗电量不大的场合;锂电池的性能更好,能量密度也更高,更加适合电动工具和手机电脑这种对性能或体积要求较高的场合。

但是现在其他设备也更多地用起锂电池了,真的有必要吗?

答案是有。
对于大部分普通用户来说,锂电池意味着一定可以充电,只要插电就能继续用,不必进行更换电池的操作,用起来更加无脑。
对于厂家来说,锂电池的充电电路比较简单,判停机制不如镍氢那么复杂,同样是可充电电器,使用锂电更有利于降低设计和制造成本;锂电能量密度较高,能够达到相对比较好看的续航时间,反过来镍氢不仅本身能量密度低,如果省钱不做充电电路还会增加用户对于换电池频度的反感,除非电器本身耗电量就低,否则 spec 太难看。最后,现在用 18650、14500 之类工业标准电池的锂电池电器已经越来越少,电器设计上也趋向于没有可开启的电池仓(节约成本),用锂电池可以加快计划报废速度。

但是对我这样希望哪怕麻烦一点也把电器用得更久的用户来说,锂电池显然不是什么好东西。

就拿刚刚说的键盘鼠标为例,最近把办公键盘换了无线,发现一票键盘制造商只有 FILCO、ikbc 和高斯三家提供了可以安装干电池的 CHERRY 轴 104 键盘,其他诸如 Akko、凯酷、RK、IQUNIX、阿米洛之流全是锂电被我直接排除,最后选了 ikbc 的 2.4G 无线;无线鼠标我只买干电池的 G 系列比如 G602、G603,最近 G604 也发布了,想买。罗技的 PowerPlay 系统其实很适合使用镍氢电池——设备长期放在充电器上,偶尔拿下来用,这种环境用锂电损耗非常大,但是罗技依然用了锂电并做了 90% 的电量限制,在我看来 90% 是远远不够的。

去你的 G502 Lightspeed,G604 才是无线鼠标的无冕之王。

专题:如何延长可充电电池的寿命》有1个想法

  1. xklyx

    保护电池的方法和电池容量的设计初衷,充满了哲学意味的矛盾性和喜剧效果:

    为什么要保护充电电池?
    ——若不采取保护,电池容量会快速下降,可能使用了30%的电量后就没电了,然后不得不去充电。
    如何保护充电电池?
    ——每次只使用30%的电量,然后去充电。
    那剩余70%电量用来干什么?
    ——用来保护的

    其实这个矛盾用在快充上也适用。等价交换还真是世界运行的真理。

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