Aká je degradácia kapacity lítium-iónových batérií v priebehu času?

Ak ste si niekedy kúpili vysokovýkonný elektrický skúter, robustný systém na uchovávanie energie pre vašu kabínu mimo siete alebo energeticky náročné priemyselné vybavenie, je pravdepodobné, že ste sa spoliehali na lítium-iónové batérie, ktoré ho udržia v chode. Ako dodávateľ s dlhoročnými skúsenosťami s prácouLítium-iónová batéria 60V 30ah,80V lítiová batériaa ďalších prispôsobených modelov som už prestal spočítať, koľko zákazníkov začína konverzáciu s podobnou otázkou: „Prečo je moja batéria menej nabitá, ako keď som ju prvýkrát kúpil?“ Je to frustrujúci, univerzálny problém, ktorý má korene v základnej chémii fungovania lítium-iónových batérií – a ako ich v priebehu času používame.

Degradácia kapacity, pomalá strata schopnosti batérie ukladať a dodávať elektrickú energiu, nie je chybou jedinečnú pre lítium-iónovú technológiu, ale je to kritický faktor pre každého, kto sa spolieha na tieto batérie pre konzistentný výkon. Na rozdiel od olovených batérií, ktoré majú tendenciu náhle zlyhať, lítium-iónové batérie sa degradujú postupne, takže si pomalý pokles kapacity spočiatku nemusíte všimnúť – kým váš elektrický motocykel neprejde iba 20 míľ na nabitie namiesto menovitých 30, alebo kým váš záložný napájací systém beží polovičný čas ako pred rokom. Pochopenie toho, čo spôsobuje túto degradáciu, nie je pre nás ako dodávateľa len akademické; pomáha nám vzdelávať zákazníkov o tom, ako maximalizovať životnosť batérie, a formuje spôsob, akým navrhujeme a testujeme modely, ktoré poskytujeme, od kompaktnýchLítium-iónová batéria s kapacitou 8 Ahpre prenosné elektrické náradie do náročných podmienok300ah lítium-iónová batériapre mriežkové skladovanie.

Aby sme sa dostali ku koreňu straty kapacity, začnime s tým, ako funguje lítium-iónová batéria vo svojom jadre. Vo vnútri každej lítium-iónovej batérie sú dve elektródy: pozitívna katóda (zvyčajne vyrobená z oxidu lítneho kovu, ako je oxid lítny, kobaltnatý alebo fosforečnan lítno-železitý) a negatívna anóda, najčastejšie vyrobená z grafitu. Tieto elektródy sú oddelené tenkou poréznou membránou, ponorenou v kvapalnom alebo gélovom elektrolyte, ktorý umožňuje lítiovým iónom pohybovať sa tam a späť medzi dvoma stranami. Keď nabíjate batériu, lítiové ióny opúšťajú katódu, prechádzajú cez elektrolyt a membránu a ukladajú sa do grafitovej anódy. Keď sa vybijete, proces sa obráti: lítiové ióny sa presunú späť ku katóde a uvoľnia energiu, ktorá napája vaše zariadenie.

Tento tanec iónov znie jednoducho, ale počas stoviek cyklov nabíjania a vybíjania sa vo vnútri batérie dejú malé, kumulatívne zmeny, ktoré ju spomaľujú a znižujú množstvo nabitia, ktoré možno uložiť. Tieto zmeny spadajú do niekoľkých kľúčových kategórií a často sú ovplyvnené tým, ako batériu používate a ako sa o ňu staráte. Poďme si ich rozobrať jeden po druhom, s príkladmi viazanými na batérie, ktoré dodávame.

Po prvé, najrozšírenejšou príčinou degradácie je tvorba medzifázy pevný elektrolyt alebo skrátene SEI. Pri prvom nabití lítium-iónovej batérie sa malé množstvo elektrolytu na povrchu anódy rozbije a vytvorí tenkú, pevnú vrstvu, ktorá pokryje častice grafitu. SEI je kritická: je priepustná pre ióny, takže lítiové ióny prepúšťajú k anóde, ale zabraňuje ďalším nežiaducim reakciám medzi elektrolytom a anódou, ktoré by mohli poškodiť batériu. Problém je v tom, že táto vrstva nie je statická. Zakaždým, keď sa batéria nabije a vybije, malé množstvo lítia sa zachytí vo vrstve SEI, namiesto toho, aby sa voľne pohybovalo medzi elektródami. Postupom času sa toto zachytené lítium sčítava a zostáva menej dostupné na napájanie vášho zariadenia. Pre maléhoLítium-iónová batéria 24v20ahpre trávnikový traktor to znamená, že po 500 úplných cykloch môžete zaznamenať 10 % pokles kapacity – čo si mnohí zákazníci všimnú, keď ich kosačka dokáže pokosiť len polovicu dvorca, kým bude potrebovať doplniť.

Druhým veľkým faktorom je degradácia katódy. Katóda je zdrojom lítiových iónov, vďaka ktorým funguje batéria, a je rovnako náchylná na opotrebovanie ako anóda. Počas cyklov môžu drobné častice, ktoré tvoria katódu, prasknúť alebo sa rozbiť. prečo? Lítiové ióny pohybujúce sa dovnútra a von z katódy spôsobujú, že sa materiál pri každom náboji mierne rozťahuje a zmršťuje. Po tisíckach cyklov táto opakovaná expanzia a kontrakcia oslabuje štruktúru katódy, čo spôsobuje štiepenie častíc. Keď sa to stane, časť lítia už nie je prístupná - je zachytená vo vnútri rozbitých častíc a nemôže sa počas nabíjania presunúť k anóde. Pre vysokonapäťové batérie, ako sú naše80V lítiová batéria, ktorá poháňa ťažkú ​​stavebnú techniku, tento typ degradácie urýchľuje vysoké napätie a veľké prúdové zaťaženie. Operátori často používajú tieto batérie na takmer plnú kapacitu na dlhé úseky, čo urýchľuje opotrebovanie katódy – takže stavebná spoločnosť si môže začať všimnúť 15% pokles kapacity už po 300 cykloch, zatiaľ čo batéria na voľný čas môže vydržať 500 cyklov, kým dosiahne túto značku.

Ďalším častým vinníkom je pokovovanie lítiom. Toto je problém, ktorý sa objaví, keď sa batérie nabíjajú príliš rýchlo, najmä pri nízkych teplotách. Za normálnych podmienok nabíjania sa lítiové ióny pohybujú z katódy na anódu a ukladajú sa do grafitovej štruktúry. Ak však batériu nabíjate rýchlejšie, ako sa ióny môžu pohybovať, alebo ak je batéria príliš studená, ióny sa ťažko zabudujú. Namiesto toho vytvárajú drobné kovové usadeniny lítia na povrchu anódy. Postupom času môžu tieto usadeniny prerásť do ihličkovitých štruktúr nazývaných dendrity, ktoré prepichnú separátor medzi anódou a katódou a spôsobia skraty. Ešte menšie pokovovanie lítiom však nespôsobuje len bezpečnostné riziká – odčerpáva dostupné lítium, čo vedie k trvalej strate kapacity. Pre zákazníkov využívajúcich našeLítium-iónová batéria 60V 30ahpri elektrických bicykloch je to častý problém, ak svoj bicykel nabíjajú v garáži, ktorá počas zimy klesne na 30 °F alebo menej. Viac ako niekoľko zákazníkov sa vrátilo a povedalo, že ich batéria, ktorá sa predtým úplne nabila za 2 hodiny, teraz trvá 4 a udrží len 80 % svojej kapacity – zakorenená v lítiovom pokovovaní z rýchleho nabíjania za studena.

Vonkajšie faktory tiež zohrávajú obrovskú úlohu v tom, ako rýchlo sa batéria degraduje, a tie sú často pod kontrolou používateľa. Teplota je najväčšia. Lítium-iónové batérie sú najšťastnejšie v miernom prostredí s izbovou teplotou, medzi 20 °C a 25 °C (68 °F až 77 °F). Ak sa batéria príliš zahreje – napríklad keď sedíte v uzavretom aute zaparkovanom na priamom slnku celé leto alebo sa používa na napájanie zariadenia, ktoré je celé hodiny horúce – chemické reakcie vo vnútri sa dramaticky zrýchlia, čím sa zrýchli tvorba SEI, opotrebovanie katódy a pokovovanie lítiom. Na druhej strane, ak necháte batériu v extrémnom chlade, nepoužívate ju po dlhú dobu, môže ju poškodiť. Zákazníkom, ktorí majú náhradnú batériu pre svoj karavan alebo čln, vždy odporúčam, aby ju skladovali nabitú na približne 50 % na chladnom a suchom mieste, namiesto toho, aby ju nechali niekoľko mesiacov úplne nabitú alebo úplne vybitú. Úplne vybitá batéria môže trpieť koróziou anódy, zatiaľ čo plne nabitá batéria sa vplyvom tepla degraduje oveľa rýchlejšie ako batéria na polovičné nabitie.

Ďalším kľúčovým faktorom je hĺbka vybitia (DoD). Hĺbka vybitia vyjadruje, koľko z celkovej kapacity batérie spotrebujete pred jej nabitím. Napríklad, ak váš300ah lítium-iónová batériasa používa na napájanie solárneho skladovacieho systému a denne spotrebujete iba 150 ah, čo je 50 % DoD. Ak to vyčerpáte na 30ah, je to 90% DoD. Základné pravidlo znie: čím hlbšie batériu vybijete, tým rýchlejšie sa degraduje. Zakaždým, keď batériu 100% prepnete z plnej na prázdnu, zaťažíte anódu a katódu viac ako plytké vybitie. Pre zákazníkov, ktorí používajú svoje batérie na aplikácie, ako sú lekárske prístroje alebo záložné napájanie, kde sa o spoľahlivosti nedá vyjednávať, to znamená plánovať spotrebu energie tak, aby sa vždy, keď je to možné, vyhli hlbokému vybitiu. Naše batérie navrhujeme s ohľadom na túto skutočnosť, zabudovávame ochranné obvody, ktoré zabraňujú nadmernému vybitiu, ale stále úzko spolupracujeme so zákazníkmi, aby sme im pomohli upraviť ich spôsoby používania a predĺžiť tak životnosť batérie.

Počet cyklov je jednoduchšia metrika na pochopenie a často je to to, čo je uvedené v technických listoch batérie ako životnosť batérie. Cyklus sa počíta ako jedno úplné vybitie a nabitie – ale je dôležité si uvedomiť, že cyklus nie je len vybitie batérie zo 100 % na 0 %. Napríklad dve 50 % vybitia (zakaždým s využitím 50 % kapacity batérie) tiež dávajú dohromady jeden celý cyklus. Väčšina lítium-iónových batérií si zachová približne 80 % svojej pôvodnej kapacity po 500 až 1 500 úplných cykloch, v závislosti od chémie a spôsobu použitia. Lítium-železo-fosfátové (LFP) batérie, ktoré používame pre mnohé z našich modelov stacionárneho skladovania, majú tendenciu vydržať dlhšie – často 2 000 cyklov alebo viac – ako nikel-kobalt-hliník (NCA) alebo nikel-mangán-kobalt (NMC), ktoré sú bežné v elektrických vozidlách a aplikáciách prenosnej energie. nášLítium-iónová batéria s kapacitou 8 Ahnapríklad pre elektrické náradie používa chémiu NMC, ktorá je navrhnutá tak, aby krátkodobo zvládala vysoké odbery prúdu a je dimenzovaná na 800 cyklov na 80 % kapacity.

Stojí za zmienku, že degradácia je postupná a nie každá strata kapacity je trvalá. Niekedy to, čo vyzerá ako vybitá batéria, sa jednoducho nepoužíva správne. Napríklad batéria, ktorá sa niekoľko mesiacov nepoužívala, môže mať dočasný pokles kapacity v dôsledku samovybíjania. Lítium-iónové batérie sa samovybíjajú rýchlosťou asi 2-3% za mesiac, ale ak sú skladované úplne vybité, samovybíjanie môže viesť ku korózii anódy, teda k trvalej strate. Rýchle a úplné nabitie po uskladnení môže niekedy obnoviť dočasný pokles kapacity.

Našou úlohou ako dodávateľa batérií nie je len predať vám batériu, ale zabezpečiť, aby batéria dobre fungovala čo najdlhšie. Strávili sme roky testovaním našich modelov od kompaktnýchLítium-iónová batéria 24v20ahpre golfové vozíky s vysokým výkonomLítium-iónová batéria 60V 30ahpre elektrické motocykle, aby sme pochopili, ako rôzne spôsoby používania ovplyvňujú degradáciu. Ku každej zásielke prikladáme podrobného sprievodcu starostlivosťou, ktorý zákazníkom radí o ideálnych teplotách nabíjania, odporúčané úrovne DoD a tipy na skladovanie. Zákazníkom s väčšími flotilami batérií, ako sú stavebné spoločnosti alebo inštalatéri solárnych zariadení, ponúkame zákaznícku podporu, ktorá im pomôže nastaviť nabíjaciu infraštruktúru, ktorá minimalizuje degradáciu, čím sa zníži ich dlhodobá údržba a náklady na výmenu.

Degradácia kapacity nakoniec nie je zlyhaním lítium-iónovej technológie – je to prirodzená súčasť fungovania týchto batérií a jej pochopenie je prvým krokom k tomu, aby ste zo svojej investície vyťažili maximum. Či už ste nadšenec s jedným elektrickým bicyklom, majiteľ firmy spravujúci flotilu zariadení na manipuláciu s materiálom alebo inštalatér, ktorý stavia rezidenčný solárny systém, vedieť, čo spôsobuje stratu kapacity vašej batérie, vám pomôže upraviť vaše návyky a predĺžiť jej životnosť. Ak hľadáte spoľahlivú lítium-iónovú batériu prispôsobenú vašej konkrétnej aplikácii a chcete sa dozvedieť viac o tom, ako maximalizovať jej životnosť, spojte sa ešte dnes s naším tímom, aby sme prediskutovali vaše potreby.

Referencie:

1. Scrosati, B., & Garche, J. (2010). Lítiové batérie: Stav, vyhliadky a budúcnosť. Journal of Power Sources, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). Mechanizmy starnutia v lítium-iónových batériách. Journal of Power Sources, 147 (1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V., & Chen, Z. (2019). Prehľad mechanizmov degradácie lítium-iónových batérií a metód hodnotenia stavu zdravia. Energie, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001). Diferenciálne napäťové analýzy vysokovýkonných lítium-iónových článkov. 1. Technika a aplikácia. Journal of Power Sources, 101 (2), 238-245.