Koliko se smanjuje kapacitet litijum-jonskih baterija tokom vremena?

Ako ste ikada kupili električni skuter visokih performansi, robustan sistem za skladištenje energije za svoju kabinu van mreže ili komad industrijske opreme koji je gladan energije, velike su šanse da ste se oslanjali na litijum-jonske baterije da bi on radio. Kao dobavljač sa dugogodišnjim iskustvom u raduLitijum-jonska baterija 60v 30ah,80v litijumska baterija, i drugih prilagođenih modela, izgubio sam broj od broja kupaca koji započnu razgovor sa sličnim pitanjem: „Zašto moja baterija drži manje napunjenosti nego kada sam je prvi put kupio?“ To je frustrirajuće, univerzalno pitanje koje je ukorijenjeno u osnovnoj hemiji kako litijum-jonske baterije rade—i kako ih koristimo tokom vremena.

Degradacija kapaciteta, spori gubitak sposobnosti baterije da skladišti i isporučuje električnu energiju, nije mana jedinstvena za litijum-jonsku tehnologiju, ali je kritičan faktor za svakoga ko se oslanja na ove baterije za dosljedne performanse. Za razliku od olovno-kiselinskih baterija, koje imaju tendenciju da se naglo pokvare, litijum-jonske baterije postepeno degradiraju, tako da u početku možda nećete primijetiti spori pad kapaciteta - sve dok vaš električni motocikl ne pređe samo 20 milja na punjenju umjesto procijenjenih 30, ili dok vaš sistem rezervnog napajanja ne radi upola manje vremena nego prije godinu dana. Razumijevanje onoga što uzrokuje ovu degradaciju nije samo akademsko za nas kao dobavljača; pomaže nam da educiramo kupce o tome kako maksimalno produžiti životni vijek njihove baterije i oblikuje način na koji dizajniramo i testiramo modele koje nudimo, od kompaktnih8 Ah litijum-jonska baterijaza prijenosne električne alate za teška opterećenja300ah litijum jonska baterijaza skladištenje u mreži.

Da bismo došli do korijena gubitka kapaciteta, počnimo s time kako litijum-jonska baterija radi u svojoj srži. Unutar svake litijum-jonske baterije nalaze se dvije elektrode: pozitivna katoda (obično napravljena od litijum-metalnog oksida, poput litijum-kobalt-oksida ili litij-gvozdenog fosfata) i negativna anoda, najčešće napravljena od grafita. Ove elektrode su odvojene tankom poroznom membranom, potopljenom u tečni ili gel elektrolit koji omogućava litijumskim jonima da se kreću napred-nazad između dve strane. Kada punite bateriju, litijum joni napuštaju katodu, putuju kroz elektrolit i membranu i ugrađuju se u grafitnu anodu. Kada se ispraznite, proces se obrće: litijum joni se vraćaju na katodu, oslobađajući energiju koja napaja vaš uređaj.

Ovaj ples jona zvuči jednostavno, ali tokom stotina ciklusa punjenja i pražnjenja, male, kumulativne promjene se događaju unutar baterije koje je usporavaju i smanjuju količinu punjenja koja se može pohraniti. Ove promjene spadaju u nekoliko ključnih kategorija i često su pod utjecajem načina na koji koristite i brinete o bateriji. Hajde da ih raščlanimo jedan po jedan, sa primjerima vezanim za baterije koje isporučujemo.

Prvo, najrašireniji uzrok degradacije je formiranje međufaze čvrstog elektrolita, ili skraćeno SEI. Kada se litijum-jonska baterija prvi put napuni, mala količina elektrolita na površini anode se razbije i formira tanak, čvrst sloj koji prekriva čestice grafita. SEI je kritičan: propustljiv je za jone, tako da propušta litijum jone da prođu do anode, ali sprečava dalje neželjene reakcije između elektrolita i anode koje bi mogle oštetiti bateriju. Problem je što ovaj sloj nije statičan. Svaki put kada se baterija puni i prazni, mala količina litijuma ostaje zarobljena u SEI sloju, umjesto da se slobodno kreće između elektroda. Vremenom, ovaj zarobljeni litijum se zbraja, ostavljajući manje dostupnim za napajanje vašeg uređaja. Za malu24v20ah litijum-jonska baterijaza traktor za travnjak, to znači da nakon 500 punih ciklusa možete uočiti pad kapaciteta od 10% – nešto što mnogi kupci primjećuju kada njihova kosilica može pokositi samo polovinu dvorišta prije nego što zatreba dopuna.

Drugi veliki faktor je degradacija katode. Katoda je izvor litijum jona koji čine bateriju da radi, i podjednako je sklona habanju kao i anoda. Tokom ciklusa, sićušne čestice koje čine katodu mogu napuknuti ili se raspasti. Zašto? Litijum joni koji se kreću ka i iz katode uzrokuju da se materijal lagano širi i skuplja sa svakim punjenjem. Nakon hiljada ciklusa, to ponovljeno širenje i kontrakcija slabi strukturu katode, uzrokujući cijepanje čestica. Kada se to dogodi, dio litijuma više nije dostupan – zarobljen je unutar slomljenih čestica, ne može se pomaknuti do anode tokom punjenja. Za visokonaponske baterije poput naših80v litijumska baterija, koji pokreće tešku građevinsku opremu, ova vrsta degradacije je ubrzana visokim naponom i visokim strujnim opterećenjem. Operateri često pokreću ove baterije sa skoro punim kapacitetom tokom dugih perioda, što ubrzava trošenje katode – tako da građevinska kompanija može početi primjećivati ​​pad kapaciteta od 15% nakon samo 300 ciklusa, dok baterija za slobodno vrijeme može trajati 500 ciklusa prije nego što dosegne tu oznaku.

Još jedan uobičajeni krivac je litijumsko oblaganje. Ovo je problem koji se pojavljuje kada se baterije prebrzo pune, posebno na niskim temperaturama. U normalnim uslovima punjenja, litijum joni se kreću od katode do anode i ugrađuju se u grafitnu strukturu. Ali ako punite bateriju brže nego što joni mogu da se kreću, ili ako je baterija previše hladna, joni će se teško ugraditi. Umjesto toga, oni formiraju sitne, metalne naslage litijuma na površini anode. S vremenom, ove naslage mogu prerasti u igličaste strukture zvane dendriti, koji probijaju separator između anode i katode, uzrokujući kratke spojeve. Čak i manja litijumska obloga, međutim, ne uzrokuje samo sigurnosne rizike – ona izvlači dostupni litijum, što dovodi do trajnog gubitka kapaciteta. Za kupce koji koriste našeLitijum-jonska baterija 60v 30ahza električne bicikle, ovo je čest problem ako svoj bicikl pune u garaži koja tokom zime padne na 30°F ili niže. Imao sam više od nekoliko kupaca koji su se vratili i rekli da njihova baterija koja se u potpunosti punila za 2 sata sada traje 4, a drži samo 80% napunjenosti – ukorijenjena u litijumskoj prevlaci od hladnog brzog punjenja.

Vanjski faktori također igraju veliku ulogu u tome koliko brzo se baterija degradira, a oni su često pod kontrolom korisnika. Temperatura je najveća. Litijum-jonske baterije su najsretnije u blagim okruženjima na sobnoj temperaturi, između 20°C i 25°C (68°F do 77°F). Ako se baterija previše zagrije – kao što je sjedenje u zatvorenom automobilu parkiranom na direktnom suncu cijelo ljeto ili korištenje za napajanje uređaja koji se zagrijava satima – kemijske reakcije unutar nje se dramatično ubrzavaju, ubrzavajući formiranje SEI, trošenje katode i litijumsko prevlačenje. S druge strane, ostavljanje baterije na ekstremnoj hladnoći, nekorištene, na duge periode također je može oštetiti. Uvijek savjetujem kupcima koji imaju rezervnu bateriju za svoj kamp ili čamac da je čuvaju na oko 50% napunjenosti, na hladnom i suhom mjestu, umjesto da mjesecima ostave potpuno napunjenu ili potpuno ispražnjenu. Potpuno ispražnjena baterija može patiti od korozije anode, dok će se potpuno napunjena baterija u toplini degradirati mnogo brže od baterije pri pola punjenja.

Dubina pražnjenja (DoD) je još jedan ključni faktor. Dubina pražnjenja se odnosi na to koliko od ukupnog kapaciteta baterije koristite prije ponovnog punjenja. Na primjer, ako vaš300ah litijum jonska baterijakoristi se za napajanje solarnog sistema za skladištenje, a vi koristite samo 150ah dnevno, to je 50% DoD. Ako ga ispraznite do 30ah, to je 90% DoD. Opće pravilo glasi: što dublje praznite bateriju, ona će brže degradirati. Svaki put kada 100% ciklirate bateriju od pune do prazne, više opterećujete anodu i katodu nego plitko pražnjenje. Za kupce koji svoje baterije koriste za aplikacije kao što su medicinski uređaji ili rezervno napajanje, gdje se o pouzdanosti ne može pregovarati, to znači planiranje njihove potrošnje energije kako bi se izbjegla duboka pražnjenja kad god je to moguće. Dizajniramo naše baterije imajući to na umu, ugrađujući zaštitna kola koja sprječavaju prekomjerno pražnjenje, ali i dalje blisko sarađujemo s kupcima kako bismo im pomogli da prilagode svoje obrasce korištenja kako bi produžili vijek trajanja baterije.

Broj ciklusa je jednostavnija metrika za razumijevanje i često je ono što je navedeno na tablicama podataka o bateriji kao vijek trajanja baterije. Ciklus se računa kao jedno potpuno pražnjenje i ponovno punjenje—ali važno je napomenuti da ciklus nije samo pražnjenje baterije sa 100% na 0%. Na primjer, dva pražnjenja od 50% (koristeći svaki put 50% kapaciteta baterije) također predstavljaju jedan puni ciklus. Većina litijum-jonskih baterija će zadržati oko 80% svog prvobitnog kapaciteta nakon 500 do 1500 punih ciklusa, u zavisnosti od hemije i načina na koji se koriste. Litijum-gvožđe-fosfatne (LFP) baterije, koje koristimo za mnoge naše stacionarne modele skladištenja, traju duže – često 2.000 ciklusa ili više – od nikl-kobalt-aluminijum (NCA) ili nikl-mangan-kobalt (NMC) hemije, koje su uobičajene u električnim vozilima i prenosivim aplikacijama. Naš8 Ah litijum-jonska baterijaza električne alate, na primjer, koristi NMC hemiju, dizajniranu za rukovanje odvodima velike struje u kratkim periodima, i predviđen je za 800 ciklusa do 80% kapaciteta.

Vrijedi napomenuti da je degradacija postepena i da nije svaki gubitak kapaciteta trajan. Ponekad se ono što izgleda kao degradirana baterija jednostavno ne koristi pravilno. Na primjer, baterija koja je mjesecima stajala nekorištena može imati privremeni pad kapaciteta zbog samopražnjenja. Litijum-jonske baterije se samoprazne brzinom od oko 2-3% mjesečno, ali ako se čuvaju potpuno ispražnjene, to samopražnjenje može dovesti do korozije anode, trajnog gubitka. Brzo, potpuno punjenje nakon skladištenja ponekad može povratiti taj privremeni pad kapaciteta.

Kao dobavljač baterija, naš posao nije samo da vam prodamo bateriju – već da osiguramo da baterija radi dobro što je duže moguće. Proveli smo godine testirajući naše modele, od kompakta24v20ah litijum-jonska baterijaza kolica za golf velike snageLitijum-jonska baterija 60v 30ahza električne motocikle, kako bi razumjeli kako različiti obrasci korištenja utječu na degradaciju. Uz svaku pošiljku uključujemo detaljne vodiče za njegu, savjetujući kupce o idealnim temperaturama punjenja, preporučenim razinama DoD i savjetima za skladištenje. Za kupce sa većom flotom baterija, kao što su građevinske kompanije ili solarni instalateri, nudimo prilagođenu podršku koja im pomaže da postave infrastrukturu za punjenje koja minimizira degradaciju, smanjujući njihovo dugoročno održavanje i troškove zamjene.

Na kraju krajeva, degradacija kapaciteta nije neuspjeh litijum-jonske tehnologije – to je prirodan dio načina na koji ove baterije rade, a razumijevanje toga je prvi korak da izvučete maksimum iz vaše investicije. Bilo da ste hobi sa jednim električnim biciklom, vlasnik preduzeća koji upravlja flotom opreme za rukovanje materijalom ili instalater koji gradi stambeni solarni sistem, poznavanje uzroka gubitka kapaciteta baterije pomaže vam da prilagodite svoje navike kako biste produžili njen životni vek. Ako ste na tržištu za pouzdanu litijum-jonsku bateriju, prilagođenu vašoj specifičnoj primjeni, i želite saznati više o tome kako maksimalno produžiti njen životni vijek, stupite u kontakt s našim timom već danas da razgovaramo o vašim potrebama.

Reference:

1. Scrosati, B. i Garche, J. (2010). Litijumske baterije: status, izgledi i budućnost. Journal of Power Sources, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... i Winter, M. (2005). Mehanizmi starenja u litijum-jonskim baterijama. Journal of Power Sources, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V., & Chen, Z. (2019). Pregled mehanizama degradacije litijum-jonskih baterija i metoda procjene zdravstvenog stanja. Energies, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001). Diferencijalne analize napona litijum-jonskih ćelija velike snage. 1. Tehnika i primjena. Journal of Power Sources, 101(2), 238-245.