Какъв е спадът на капацитета на литиево-йонните батерии с течение на времето?

Ако някога сте купували високоефективен електрически скутер, здрава система за съхранение на енергия за вашата автономна кабина или енергоемко промишлено оборудване, има вероятност да сте разчитали на литиево-йонни батерии, за да поддържате работата му. Като доставчик с дългогодишен опит в работата сЛитиево-йонна батерия 60v 30ah,80v литиева батерияи други съобразени модели, загубих броя на клиентите, които започват разговор с подобен въпрос: „Защо батерията ми държи по-малко заряд, отколкото когато я купих за първи път?“ Това е разочароващ, универсален проблем, който се корени в основната химия на това как работят литиево-йонните батерии и как ги използваме с течение на времето.

Намаляването на капацитета, бавната загуба на способността на батерията да съхранява и доставя електрическа енергия, не е недостатък, уникален за литиево-йонната технология, но е критичен фактор за всеки, който разчита на тези батерии за постоянна производителност. За разлика от оловно-киселинните батерии, които са склонни да се повредят внезапно, литиево-йонните батерии се разграждат постепенно, така че може да не забележите бавния спад в капацитета в началото - докато електрическият ви мотоциклет не измине само 20 мили със зареждане вместо номиналните 30, или вашата резервна захранваща система работи половината от времето, отколкото преди година. Разбирането на причините за това влошаване не е само академично за нас като доставчик; помага ни да образоваме клиентите как да увеличат максимално живота на батерията си и оформя начина, по който проектираме и тестваме моделите, които предоставяме, от компактния8 Ah литиево-йонна батерияза преносими електроинструменти за тежкотоварни300ah литиево-йонна батерияза съхранение в мащаб на мрежата.

За да стигнем до корена на загубата на капацитет, нека започнем с това как литиево-йонната батерия работи в основата си. Във всяка литиево-йонна батерия има два електрода: положителен катод (обикновено направен от литиев метален оксид, като литиево-кобалтов оксид или литиево-железен фосфат) и отрицателен анод, най-често направен от графит. Тези електроди са разделени от тънка пореста мембрана, потопена в течен или гелообразен електролит, който позволява на литиевите йони да се движат напред-назад между двете страни. Когато зареждате батерията, литиевите йони напускат катода, преминават през електролита и мембраната и се вграждат в графитния анод. Когато се разреждате, процесът се обръща: литиевите йони се връщат обратно към катода, освобождавайки енергия, която захранва вашето устройство.

Този танц на йони звучи просто, но в продължение на стотици цикли на зареждане и разреждане се случват малки кумулативни промени вътре в батерията, които я забавят и намаляват количеството заряд, което може да се съхранява. Тези промени попадат в няколко ключови категории и често се влияят от начина, по който използвате и се грижите за батерията. Нека ги разделим един по един, с примери, свързани с батериите, които доставяме.

Първо, най-широко разпространената причина за разграждане е образуването на интерфаза твърдо-електролит, или накратко SEI. Когато литиево-йонна батерия се зарежда за първи път, малко количество от електролита върху повърхността на анода се разпада и образува тънък твърд слой, който покрива графитните частици. SEI е критичен: той е пропусклив за йони, така че позволява на литиевите йони да преминат през анода, но предотвратява по-нататъшни нежелани реакции между електролита и анода, които могат да повредят батерията. Проблемът е, че този слой не е статичен. Всеки път, когато батерията се зарежда и разрежда, малко количество литий се улавя в слоя SEI, вместо да се движи свободно между електродите. С течение на времето този задържан литий се натрупва, оставяйки по-малко наличен за захранване на вашето устройство. За малък24v20ah литиево-йонна батерияза трактор за трева това означава, че след 500 пълни цикъла може да видите 10% спад в капацитета – нещо, което много клиенти забелязват, когато тяхната косачка може да отреже само половината двор, преди да се нуждае от допълване.

Вторият голям фактор е разграждането на катода. Катодът е източникът на литиевите йони, които карат батерията да работи, и е също толкова податлив на износване, колкото и анода. По време на цикли, малките частици, които изграждат катода, могат да се напукат или да се разпаднат. защо Литиевите йони, движещи се навътре и извън катода, карат материала да се разширява и свива леко с всяко зареждане. След хиляди цикли, това повтарящо се разширяване и свиване отслабва структурата на катода, което води до разцепване на частиците. Когато това се случи, част от лития вече не е достъпен - той е уловен вътре в счупените частици и не може да се премести към анода по време на зареждане. За батерии с високо напрежение като нашите80v литиева батерия, който захранва тежко строително оборудване, този тип разграждане се ускорява от високо напрежение и големи токови натоварвания. Операторите често използват тези батерии с почти пълен капацитет за дълги участъци, което ускорява износването на катода - така че строителна компания може да започне да забелязва спад на капацитета с 15% след само 300 цикъла, докато батерията за свободното време може да издържи 500 цикъла, преди да достигне тази марка.

Друг често срещан виновник е литиево покритие. Това е проблем, който възниква, когато батериите се зареждат твърде бързо, особено при ниски температури. При нормални условия на зареждане литиевите йони се движат от катода към анода и се вграждат в графитната структура. Но ако заредите батерията по-бързо, отколкото йоните могат да се движат, или ако батерията е твърде студена, йоните трудно се вграждат. Вместо това те образуват малки, метални литиеви отлагания върху повърхността на анода. С течение на времето тези отлагания могат да прераснат в игловидни структури, наречени дендрити, които пробиват разделителя между анода и катода, причинявайки късо съединение. Дори по-малкото литиево покритие обаче не само създава рискове за безопасността – то изсмуква наличния литий, което води до постоянна загуба на капацитет. За клиенти, използващи нашияЛитиево-йонна батерия 60v 30ahза електрическите велосипеди това е чест проблем, ако зареждат велосипеда си в гараж, който пада до 30°F или по-ниско през зимата. Имах повече от няколко клиенти, които се връщаха и казваха, че батерията им, която се е зареждала напълно за 2 часа, сега отнема 4 и държи само 80% от заряда си – вкоренен в литиево покритие от студено бързо зареждане.

Външните фактори също играят огромна роля за това колко бързо се разгражда батерията и те често са под контрола на потребителя. Температурата е най-голямата. Литиево-йонните батерии са най-щастливи в мека среда със стайна температура, между 20°C и 25°C (68°F до 77°F). Ако батерията стане твърде гореща – като например да стоите в затворена кола, паркирана на пряка слънчева светлина през цялото лято, или да бъде използвана за захранване на устройство, което работи горещо с часове – химическите реакции вътре се ускоряват драстично, ускорявайки образуването на SEI, износването на катода и литиево покритие. От друга страна, оставянето на батерия на изключително студено, неизползвана, за дълги периоди също може да я повреди. Винаги съветвам клиентите, които имат резервна батерия за своя RV или лодка, да я съхраняват при около 50% заряд, на хладно и сухо място, вместо да я оставят да стои напълно заредена или напълно разредена в продължение на месеци. Напълно разредена батерия може да страда от корозия на анода, докато напълно заредена батерия при топлина ще се разгради много по-бързо от тази при половин заряд.

Дълбочината на разреждане (DoD) е друг ключов фактор. Дълбочината на разреждане се отнася до това каква част от общия капацитет на батерията използвате, преди да я презаредите. Например, ако вашият300ah литиево-йонна батериясе използва за захранване на слънчева система за съхранение и вие използвате само 150 ah на ден, това е 50% DoD. Ако го източите до 30 ah, това е 90% DoD. Основното правило е: колкото по-дълбоко разредите батерията си, толкова по-бързо ще се разгради. Всеки път, когато променяте батерията на 100% от пълна до празна, вие натоварвате повече анода и катода, отколкото плиткото разреждане. За клиенти, които използват батериите си за приложения като медицински устройства или резервно захранване, където надеждността не подлежи на обсъждане, това означава да планират потреблението на енергия, за да избегнат дълбоко разреждане, когато е възможно. Ние проектираме нашите батерии с това предвид, като изграждаме защитни вериги, които предотвратяват прекомерно разреждане, но все още работим в тясно сътрудничество с клиентите, за да им помогнем да коригират моделите си на използване, за да удължат живота на батерията.

Броят на циклите е по-прост показател за разбиране и често е това, което е посочено в листовете с данни на батерията като продължителност на живота на батерията. Един цикъл се брои като едно пълно разреждане и презареждане, но е важно да се отбележи, че цикълът не е просто изтощаване на батерията от 100% до 0%. Например две 50% разреждания (използвайки 50% от капацитета на батерията всеки път) също се добавят към един пълен цикъл. Повечето литиево-йонни батерии ще запазят около 80% от първоначалния си капацитет след 500 до 1500 пълни цикъла, в зависимост от химията и начина, по който се използват. Литиево-железно-фосфатните (LFP) батерии, които използваме за много от нашите стационарни модели за съхранение, са склонни да издържат по-дълго – често 2000 цикъла или повече – от никел-кобалт-алуминий (NCA) или никел-манган-кобалт (NMC) химикали, които са често срещани в електрически превозни средства и преносими захранващи приложения. Нашите8 Ah литиево-йонна батерияза електроинструменти, например, използва NMC химия, проектирана да се справя с големи токови източвания за кратки периоди и е оценена за 800 цикъла до 80% капацитет.

Струва си да се отбележи, че деградацията е постепенна и не всяка загуба на капацитет е постоянна. Понякога това, което изглежда като повредена батерия, просто не се използва правилно. Например батерия, която не е използвана в продължение на месеци, може да има временен спад в капацитета поради саморазреждане. Литиево-йонните батерии се саморазреждат със скорост от около 2-3% на месец, но ако се съхраняват напълно разредени, това саморазреждане може да доведе до корозия на анода, постоянна загуба. Бързо, пълно зареждане след съхранение понякога може да възстанови този временен спад на капацитета.

Като доставчик на батерии, нашата работа не е просто да ви продадем батерия – а да се уверим, че батерията работи добре възможно най-дълго. Прекарахме години в тестване на нашите модели, от компактния24v20ah литиево-йонна батерияза колички за голф с висока мощностЛитиево-йонна батерия 60v 30ahза електрически мотоциклети, за да разберете как различните модели на употреба влияят на влошаването. Включваме подробни ръководства за грижа към всяка пратка, като съветваме клиентите относно идеалните температури на зареждане, препоръчителните нива на DoD и съвети за съхранение. За клиенти с по-големи паркове от батерии, като строителни компании или монтажници на слънчеви батерии, ние предлагаме персонализирана поддръжка, за да им помогнем да настроят инфраструктура за зареждане, която минимизира влошаването, намалявайки дългосрочните им разходи за поддръжка и подмяна.

В крайна сметка влошаването на капацитета не е провал на литиево-йонната технология – това е естествена част от начина, по който работят тези батерии, и разбирането му е първата стъпка към извличане на максимума от вашата инвестиция. Независимо дали сте любител с един електрически велосипед, собственик на бизнес, управляващ флотилия от оборудване за обработка на материали, или монтажник, изграждащ жилищна слънчева система, знанието какво причинява загуба на капацитет на батерията ви помага да коригирате навиците си, за да удължите живота й. Ако сте на пазара за надеждна литиево-йонна батерия, съобразена с вашето конкретно приложение, и искате да научите повече за това как да увеличите живота й, свържете се с нашия екип днес, за да обсъдим вашите нужди.

препратки:

1. Скросати, Б. и Гарш, Дж. (2010). Литиеви батерии: състояние, перспективи и бъдеще. Journal of Power Sources, 195 (9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novak, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). Механизми на стареене в литиево-йонни батерии. Journal of Power Sources, 147 (1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V., & Chen, Z. (2019). Преглед на механизмите за разграждане на литиево-йонните батерии и методите за оценка на здравословното състояние. Енергии, 12 (10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001). Анализи на диференциално напрежение на високомощни литиево-йонни клетки. 1. Техника и приложение. Journal of Power Sources, 101 (2), 238-245.