Care este degradarea capacității bateriilor litiu-ion în timp?

Dacă ați cumpărat vreodată un scuter electric de înaltă performanță, un sistem robust de stocare a energiei pentru cabina dvs. în afara rețelei sau un echipament industrial consumator de energie, sunt șanse să vă fi bazat pe bateriile litiu-ion pentru a-l menține în funcțiune. Ca furnizor cu ani de experiență de lucru cuBaterie litiu-ion 60v 30ah,Baterie cu litiu de 80 V, și alte modele personalizate, am pierdut numărul de clienți care încep o conversație cu o întrebare similară: „De ce bateria mea ține mai puțină încărcare decât a avut când am cumpărat-o prima dată?” Este o problemă frustrantă, universală și una care își are rădăcinile în chimia de bază a modului în care funcționează bateriile cu ioni de litiu și a modului în care le folosim în timp.

Degradarea capacității, pierderea lentă a capacității unei baterii de a stoca și furniza energie electrică, nu este un defect unic al tehnologiei cu ioni de litiu, dar este un factor critic pentru oricine se bazează pe aceste baterii pentru o performanță constantă. Spre deosebire de bateriile plumb-acid, care tind să se defecteze brusc, bateriile litiu-ion se degradează treptat, așa că s-ar putea să nu observi scăderea lentă a capacității la început - până când motocicleta ta electrică face doar 20 de mile la o încărcare în loc de cele 30, sau sistemul tău de alimentare de rezervă funcționează jumătate din timp decât în ​​urmă cu un an. Înțelegerea a ceea ce cauzează această degradare nu este doar academică pentru noi, ca furnizor; ne ajută să educăm clienții cum să-și maximizeze durata de viață a bateriei și modelează modul în care proiectăm și testăm modelele pe care le oferim, de la compactBaterie litiu-ion de 8 Ahpentru scule electrice portabile până la cele greleBaterie litiu-ion de 300 Ahpentru stocarea la scară de rețea.

Pentru a ajunge la rădăcina pierderii de capacitate, să începem cu modul în care funcționează o baterie litiu-ion în nucleul său. În interiorul fiecărei baterii cu ioni de litiu, există doi electrozi: un catod pozitiv (de obicei realizat din oxid de litiu metalic, cum ar fi oxidul de litiu cobalt sau fosfatul de litiu fier) ​​și un anod negativ, cel mai frecvent realizat din grafit. Acești electrozi sunt separați de o membrană poroasă subțire, scufundată într-un electrolit lichid sau gel care permite ionilor de litiu să se deplaseze înainte și înapoi între cele două părți. Când încărcați bateria, ionii de litiu părăsesc catodul, călătoresc prin electrolit și membrană și se înglobează în anodul de grafit. Când vă descărcați, procesul se inversează: ionii de litiu se deplasează înapoi la catod, eliberând energie care alimentează dispozitivul.

Acest dans al ionilor sună simplu, dar pe parcursul a sute de cicluri de încărcare și descărcare, în interiorul bateriei au loc schimbări mici, cumulative, care o încetinesc și reduc cât de multă încărcare poate fi stocată. Aceste modificări se încadrează în câteva categorii cheie și sunt adesea influențate de modul în care utilizați și îngrijiți bateria. Să le defalcăm unul câte unul, cu exemple legate de bateriile pe care le furnizăm.

În primul rând, cea mai răspândită cauză a degradării este formarea interfazei solid-electrolit, sau pe scurt SEI. Când o baterie cu ioni de litiu este încărcată pentru prima dată, o cantitate mică de electrolit de pe suprafața anodului se descompune și formează un strat subțire, solid, care acoperă particulele de grafit. SEI este esențial: este permeabil la ioni, deci permite ionilor de litiu să treacă prin anod, dar previne reacții nedorite între electrolit și anod care ar putea deteriora bateria. Problema este că acest strat nu este static. De fiecare dată când bateria este încărcată și descărcată, o cantitate mică de litiu rămâne prinsă în stratul SEI, în loc să se miște liber între electrozi. De-a lungul timpului, acest litiu prins se adaugă, lăsând mai puțin disponibil pentru alimentarea dispozitivului. Pentru un micBaterie litiu-ion 24v20ahpentru un tractor de gazon, aceasta înseamnă că, după 500 de cicluri complete, este posibil să observați o scădere a capacității cu 10% - lucru pe care mulți clienți observă atunci când mașina de tuns iarba poate tăia doar jumătate din curte înainte de a avea nevoie de o completare.

Al doilea mare factor este degradarea catodului. Catodul este sursa ionilor de litiu care fac bateria să funcționeze și este la fel de predispus la uzură ca anodul. Pe parcursul ciclurilor, particulele minuscule care alcătuiesc catodul se pot crăpa sau se pot rupe. De ce? Ionii de litiu care se deplasează în și din catod fac ca materialul să se extindă și să se contracte ușor cu fiecare încărcare. După mii de cicluri, această expansiune și contracție repetată slăbește structura catodului, provocând scindarea particulelor. Când se întâmplă acest lucru, o parte din litiu nu mai este accesibilă - este prins în interiorul particulelor rupte, incapabil să se deplaseze la anod în timpul încărcării. Pentru bateriile de înaltă tensiune, precum a noastrăBaterie cu litiu de 80 V, care alimentează utilaje grele de construcții, acest tip de degradare este accelerat de sarcinile de înaltă tensiune și curent ridicat. Operatorii folosesc adesea aceste baterii la capacitate aproape maximă pentru perioade lungi de timp, ceea ce accelerează uzura catodului – astfel încât o companie de construcții ar putea începe să observe o scădere a capacității cu 15% după doar 300 de cicluri, în timp ce o baterie pentru utilizare în timpul liber poate dura 500 de cicluri înainte de a atinge acest punct.

Un alt vinovat comun este placarea cu litiu. Aceasta este o problemă care apare atunci când bateriile sunt încărcate prea repede, mai ales la temperaturi scăzute. În condiții normale de încărcare, ionii de litiu se deplasează de la catod la anod și se înglobează în structura de grafit. Dar dacă încărcați bateria mai repede decât se pot mișca ionii sau dacă bateria este prea rece, ionii se înglobează greu. În schimb, formează mici depozite metalice de litiu pe suprafața anodului. În timp, aceste depozite pot crește în structuri asemănătoare unui ac numite dendrite, care străpung separatorul dintre anod și catod, provocând scurtcircuite. Chiar și placarea cu litiu mai mică, totuși, nu cauzează doar riscuri de siguranță, ci sifonează litiul disponibil, ceea ce duce la pierderea permanentă a capacității. Pentru clienții care folosesc sistemul nostruBaterie litiu-ion 60v 30ahpentru bicicletele electrice, aceasta este o problemă frecventă dacă își încarcă bicicleta într-un garaj care scade la 30°F sau mai puțin în timpul iernii. Mai mult de câțiva clienți au revenit spunând că bateria lor, care înainte se încarca complet în 2 ore, acum durează 4 și reține doar 80% din încărcare — înrădăcinată în placarea cu litiu de la încărcarea rapidă la rece.

Factorii externi joacă, de asemenea, un rol important în cât de repede se degradează o baterie, iar aceștia sunt adesea sub controlul unui utilizator. Temperatura este cea mai mare. Bateriile cu litiu-ion sunt cele mai fericite în medii blânde, la temperatura camerei, între 20°C și 25°C (68°F până la 77°F). Dacă o baterie se încălzește prea mult - cum ar fi să stai într-o mașină închisă, parcată la soare direct toată vara, sau dacă ai fi folosită pentru a alimenta un dispozitiv care funcționează fierbinte ore în șir -, reacțiile chimice din interior se accelerează dramatic, accelerând formarea SEI, uzura catodului și placarea cu litiu. Pe de altă parte, lăsarea bateriei la frig extrem, neutilizată, pentru perioade lungi de timp, o poate deteriora. Întotdeauna sfătuiesc clienții care au o baterie de rezervă pentru RV sau barca lor să o depoziteze la o încărcare de aproximativ 50%, într-un loc răcoros și uscat, în loc să o lase să stea complet încărcată sau complet descărcată luni de zile. O baterie complet descărcată poate suferi de coroziunea anodului, în timp ce o baterie complet încărcată la căldură se va degrada mult mai repede decât una la jumătate de încărcare.

Adâncimea de descărcare (DoD) este un alt factor cheie. Adâncimea de descărcare se referă la cât de mult din capacitatea totală a bateriei utilizați înainte de a o reîncărca. De exemplu, dacă dvsBaterie litiu-ion de 300 Aheste folosit pentru alimentarea unui sistem de stocare solară și folosiți doar 150 Ah pe zi, adică 50% DoD. Dacă îl scurgi până la 30 Ah, înseamnă un DoD de 90%. Regula generală este: cu cât descărcați bateria mai adânc, cu atât se va degrada mai repede. De fiecare dată când ciclați o baterie 100% de la plină la goală, puneți mai multă presiune asupra anodului și catodului decât o face o descărcare superficială. Pentru clienții care își folosesc bateriile pentru aplicații precum dispozitivele medicale sau alimentarea de rezervă, în care fiabilitatea nu este negociabilă, aceasta înseamnă planificarea utilizării energiei pentru a evita descărcările profunde ori de câte ori este posibil. Ne proiectăm bateriile având în vedere acest lucru, construind circuite de protecție care împiedică descărcarea excesivă, dar colaborăm în continuare îndeaproape cu clienții pentru a-i ajuta să-și ajusteze tiparele de utilizare pentru a prelungi durata de viață a bateriei.

Numărul de cicluri este o măsură mai simplă de înțeles și este adesea ceea ce este menționat în fișele de date ale bateriei ca durata de viață a bateriei. Un ciclu contează ca o descărcare și o reîncărcare completă, dar este important de reținut că un ciclu nu înseamnă doar consumarea bateriei de la 100% la 0%. De exemplu, două descărcări de 50% (folosind 50% din capacitatea bateriei de fiecare dată) se adaugă, de asemenea, la un ciclu complet. Majoritatea bateriilor litiu-ion își vor păstra aproximativ 80% din capacitatea lor originală după 500 până la 1.500 de cicluri complete, în funcție de chimie și de modul în care sunt utilizate. Bateriile cu fosfat de fier litiu (LFP), pe care le folosim pentru multe dintre modelele noastre de stocare staționară, tind să dureze mai mult – adesea 2.000 de cicluri sau mai mult – decât chimicalele nichel-cobalt-aluminiu (NCA) sau nichel-mangan-cobalt (NMC), care sunt comune în vehiculele electrice și aplicațiile portabile de alimentare. NoastreBaterie litiu-ion de 8 Ahpentru sculele electrice, de exemplu, folosește o compoziție chimică NMC, concepută pentru a gestiona scurgerile de curent mari pentru perioade scurte și este evaluată pentru 800 de cicluri până la 80% capacitate.

Este de remarcat faptul că degradarea este treptată și nu toate pierderile de capacitate sunt permanente. Uneori, ceea ce pare o baterie degradată pur și simplu nu este utilizat corect. De exemplu, o baterie care a rămas nefolosită de luni de zile ar putea avea o scădere temporară a capacității din cauza autodescărcării. Bateriile cu ioni de litiu se descarcă automat la o rată de aproximativ 2-3% pe lună, dar dacă sunt depozitate complet descărcate, acea autodescărcare poate duce la coroziunea anodului, o pierdere permanentă. O încărcare rapidă și completă după stocare poate recupera uneori acea scădere temporară a capacității.

În calitate de furnizor de baterii, treaba noastră nu este doar să vă vindem o baterie, ci este să ne asigurăm că bateria funcționează bine cât mai mult timp posibil. Am petrecut ani de zile testând modelele noastre, de la compactBaterie litiu-ion 24v20ahpentru cărucioare de golf la putere mareBaterie litiu-ion 60v 30ahpentru motociclete electrice, pentru a înțelege modul în care diferitele modele de utilizare afectează degradarea. Includem ghiduri detaliate de îngrijire cu fiecare expediere, sfătuind clienții cu privire la temperaturile ideale de încărcare, nivelurile DoD recomandate și sfaturi de depozitare. Pentru clienții cu flote mai mari de baterii, cum ar fi companiile de construcții sau instalatorii solari, oferim asistență personalizată pentru a-i ajuta să configureze infrastructura de încărcare care minimizează degradarea, reducându-și costurile de întreținere și înlocuire pe termen lung.

La sfârșitul zilei, degradarea capacității nu este un eșec al tehnologiei cu ioni de litiu - este o parte naturală a modului în care funcționează aceste baterii și înțelegerea acesteia este primul pas pentru a profita la maximum de investiția dvs. Indiferent dacă sunteți un pasionat cu o singură bicicletă electrică, un proprietar de afaceri care gestionează o flotă de echipamente de manipulare a materialelor sau un instalator care construiește un sistem solar rezidențial, știind ce cauzează pierderea din capacitate a bateriei, vă ajută să vă ajustați obiceiurile pentru a prelungi durata de viață a acestuia. Dacă sunteți în căutarea unei baterii litiu-ion fiabile, adaptată aplicației dvs. specifice și doriți să aflați mai multe despre cum să-i maximizați durata de viață, contactați astăzi echipa noastră pentru a discuta despre nevoile dvs.

Referinte:

1. Scrosati, B., & Garche, J. (2010). Baterii cu litiu: stare, perspective și viitor. Journal of Power Sources, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). Mecanisme de îmbătrânire în bateriile litiu-ion. Journal of Power Sources, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V. și Chen, Z. (2019). O revizuire a mecanismelor de degradare a bateriilor litiu-ion și a metodelor de estimare a stării de sănătate. Energii, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001). Analize de tensiune diferențială a celulelor cu litiu-ion de mare putere. 1. Tehnica si aplicare. Journal of Power Sources, 101(2), 238-245.