Hogyan csökken a lítium-ion akkumulátorok kapacitása az idő múlásával?

Ha valaha is vásárolt nagy teljesítményű elektromos robogót, robusztus energiatároló rendszert a hálózaton kívüli kabinba, vagy energiaigényes ipari berendezést, akkor valószínűleg lítium-ion akkumulátorokra bízta annak működését. Több éves tapasztalattal rendelkező beszállítókéntLítium-ion akkumulátor 60v 30ah,80V-os lítium akkumulátor, és más személyre szabott modellek esetében, már nem számoltam, hány ügyfél kezd beszélgetést hasonló kérdéssel: „Miért bír el kevesebbet az akkumulátorom, mint amikor először vettem?” Ez egy frusztráló, univerzális probléma, és a lítium-ion akkumulátorok működésének alapvető kémiájában gyökerezik – és idővel hogyan használjuk őket.

A kapacitáscsökkenés, az akkumulátor elektromos energia tárolási és leadási képességének lassú elvesztése nem a lítium-ion technológia egyedi hibája, de kritikus tényező mindenki számára, aki ezekre az akkumulátorokra támaszkodik a folyamatos teljesítmény érdekében. A savas ólomakkumulátorokkal ellentétben, amelyek hajlamosak hirtelen meghibásodni, a lítium-ion akkumulátorok fokozatosan leépülnek, így lehet, hogy eleinte nem veszi észre a kapacitás lassú csökkenését – egészen addig, amíg az elektromos motorkerékpár csak 20 mérföldet tesz meg egy töltéssel a névleges 30 helyett, vagy amíg a tartalék táprendszere feleannyi ideig működik, mint egy évvel ezelőtt. Annak megértése, hogy mi okozza ezt a degradációt, nem csupán akadémikus számunkra, mint beszállító számára; segít az ügyfelek oktatásában, hogyan maximalizálják akkumulátoruk élettartamát, és meghatározza, hogyan tervezzük és teszteljük az általunk kínált modelleket a kompakttól kezdve.8 Ah lítium-ion akkumulátorhordozható elektromos kéziszerszámokhoz a nagy igénybevételhez300ah lítium-ion akkumulátorrácsméretű tároláshoz.

A kapacitásvesztés gyökeréhez való eljutáshoz kezdjük azzal, hogyan működik a lítium-ion akkumulátor a magjában. Minden lítium-ion akkumulátorban két elektróda található: egy pozitív katód (általában lítium-fém-oxidból, például lítium-kobalt-oxidból vagy lítium-vas-foszfátból) és egy negatív anód, amely leggyakrabban grafitból készül. Ezeket az elektródákat vékony porózus membrán választja el egymástól, folyadékba vagy gél elektrolitba merülve, amely lehetővé teszi a lítium-ionok oda-vissza mozgását a két oldal között. Az akkumulátor töltésekor a lítium-ionok elhagyják a katódot, áthaladnak az elektroliton és a membránon, és beágyazódnak a grafit anódba. Kisütéskor a folyamat megfordul: a lítium-ionok visszakerülnek a katódra, és energiát szabadítanak fel, amely az eszközt táplálja.

Ez az ionok tánca egyszerűen hangzik, de több száz töltési és kisütési ciklus alatt apró, halmozott változások történnek az akkumulátor belsejében, amelyek lelassítják az akkumulátort, és csökkentik a tárolható töltés mennyiségét. Ezek a változások néhány kulcsfontosságú kategóriába sorolhatók, és gyakran az akkumulátor használatának és gondozásának módjai befolyásolják őket. Bontsuk le őket egyenként, példákkal az általunk szállított akkumulátorokhoz kötve.

Először is, a degradáció legelterjedtebb oka a szilárd-elektrolit interfázis vagy röviden SEI kialakulása. Amikor egy lítium-ion akkumulátort először töltenek fel, az anód felületén lévő elektrolit kis része lebomlik, és vékony, szilárd réteget képez, amely bevonja a grafitrészecskéket. A SEI kritikus: ionáteresztő, így átengedi a lítium-ionokat az anódhoz, de megakadályozza az elektrolit és az anód közötti további nem kívánt reakciókat, amelyek károsíthatják az akkumulátort. A probléma az, hogy ez a réteg nem statikus. Minden alkalommal, amikor az akkumulátort feltöltik és lemerítik, egy kis mennyiségű lítium csapdába esik a SEI rétegben, ahelyett, hogy szabadon mozogna az elektródák között. Idővel ez a beszorult lítium összeadódik, így kevesebb marad az eszköz áramellátásához. Egy kicsinek24v20ah lítium-ion akkumulátoregy fűnyíró traktor esetében ez azt jelenti, hogy 500 teljes ciklus után 10%-kal csökkenhet a kapacitás – amit sok vásárló észrevesz, amikor a fűnyírója csak a fél udvart tudja levágni, mielőtt feltöltésre lenne szüksége.

A második nagy tényező a katóddegradáció. A katód a lítium-ionok forrása, amelyek az akkumulátor működését biztosítják, és ugyanolyan hajlamos a kopásra, mint az anód. A ciklusok során a katódot alkotó apró részecskék megrepedhetnek vagy széttörhetnek. Miért? A katódba be- és kilépő lítium-ionok hatására az anyag minden töltéssel enyhén kitágul és összehúzódik. Több ezer ciklus után ez az ismételt tágulás és összehúzódás gyengíti a katód szerkezetét, aminek következtében a részecskék széthasadnak. Amikor ez megtörténik, a lítium egy része már nem hozzáférhető – beszorul a törött részecskékbe, és nem tud az anódhoz költözni töltés közben. A miénkhez hasonló nagyfeszültségű akkumulátorokhoz80V-os lítium akkumulátor, amely nehéz építőipari berendezéseket hajt meg, az ilyen típusú leromlást felgyorsítja a nagy feszültség és a nagy áramterhelés. Az üzemeltetők gyakran csaknem teljes kapacitással működtetik ezeket az akkumulátorokat hosszú szakaszokon, ami felgyorsítja a katód kopását – így egy építőipari vállalat már 300 ciklus után 15%-os kapacitáscsökkenést észlelhet, míg a szabadidős használatra szánt akkumulátor 500 ciklust is kibír, mielőtt elérné ezt a jelölést.

Egy másik gyakori bűnös a lítium bevonat. Ez egy olyan probléma, amely akkor jelentkezik, ha az akkumulátorok túl gyorsan töltődnek, különösen hideg hőmérsékleten. Normál töltési körülmények között a lítium-ionok a katódról az anódra mozognak, és beágyazódnak a grafitszerkezetbe. De ha gyorsabban tölti az akkumulátort, mint ahogy az ionok mozogni tudnak, vagy ha az akkumulátor túl hideg, az ionok nehezen tudnak beágyazódni. Ehelyett apró, fémes lítium lerakódásokat képeznek az anód felületén. Idővel ezek a lerakódások tűszerű struktúrákká nőhetnek, amelyeket dendriteknek neveznek, amelyek átszúrják az anód és a katód közötti elválasztót, rövidzárlatot okozva. Még a kisebb lítium bevonat is nemcsak biztonsági kockázatot jelent – ​​elszívja a rendelkezésre álló lítiumot, ami tartós kapacitásvesztéshez vezet. A mi vásárlóink ​​számáraLítium-ion akkumulátor 60v 30ahelektromos kerékpárok esetében ez gyakori probléma, ha olyan garázsban töltik a kerékpárjukat, amely télen 30 °F-ra vagy az alá csökken. Több, mint néhány ügyfelem visszatért, mondván, hogy az akkumulátoruk, amely korábban 2 óra alatt teljesen feltöltődött, most 4-et vesz igénybe, és csak a töltöttségének 80%-át tartja meg – a hideg gyorstöltésből származó lítiumbevonatban gyökerezik.

A külső tényezők is óriási szerepet játszanak abban, hogy az akkumulátor milyen gyorsan lemerül, és ezek gyakran a felhasználó ellenőrzése alatt állnak. A hőmérséklet a legnagyobb. A lítium-ion akkumulátorok enyhe, szobahőmérsékletű környezetben a legboldogabbak, 20°C és 25°C (68°F és 77°F) között. Ha az akkumulátor túlságosan felforrósodik – például egész nyáron közvetlen napsütésben parkoló zárt autóban ülve, vagy órákon át forró készüléket használnak vele –, a belsejében zajló kémiai reakciók drámaian felgyorsulnak, felgyorsítva a SEI kialakulását, a katódkopást és a lítiumbevonatot. Másrészt, ha az akkumulátort extrém hidegben, hosszú ideig használaton kívül hagyja, az is károsíthatja. Mindig azt tanácsolom azoknak az ügyfeleknek, akiknek van tartalék akkumulátoruk lakóautójukhoz vagy csónakjukhoz, hogy körülbelül 50%-os töltöttséggel, hűvös, száraz helyen tárolják, ahelyett, hogy hónapokig teljesen feltöltve vagy teljesen lemerülten hagynák ülni. A teljesen lemerült akkumulátor anódkorróziót szenvedhet, míg a teljesen feltöltött akkumulátor melegben sokkal gyorsabban romlik, mint egy félig feltöltött akkumulátor.

A kisülési mélység (DoD) egy másik kulcsfontosságú tényező. A kisülési mélység azt jelenti, hogy az akkumulátor teljes kapacitásából mennyit használ fel újratöltés előtt. Például, ha az Ön300ah lítium-ion akkumulátoregy napelemes tárolórendszer táplálására szolgál, és csak napi 150 ah-t használ, ez 50%-os DoD. Ha lemeríted 30ah-ra, az 90%-os DoD. Az alapszabály: minél mélyebbre meríti az akkumulátort, annál gyorsabban fog lemerülni. Minden alkalommal, amikor egy akkumulátort 100%-ban teli állapotból lemerült állapotba kapcsol, nagyobb terhelést jelent az anódra és a katódra, mint egy sekély kisülésnél. Azon ügyfelek számára, akik akkumulátoraikat olyan alkalmazásokhoz használják, mint például orvosi eszközök vagy tartalék energia, ahol a megbízhatóság nem alku tárgya, ez azt jelenti, hogy energiafelhasználásukat úgy kell megtervezni, hogy lehetőség szerint elkerüljék a mélykisülést. Akkumulátorainkat ennek szem előtt tartásával tervezzük, és olyan védelmi áramköröket építünk be, amelyek megakadályozzák a túlzott kisülést, de továbbra is szorosan együttműködünk az ügyfelekkel, hogy segítsünk nekik módosítani használati szokásaikat az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében.

A ciklusszám egy egyszerűbb mérőszám, amely megérthető, és gyakran ez szerepel az akkumulátor adatlapján az akkumulátor élettartamaként. Egy ciklus egy teljes kisütésnek és újratöltésnek számít – de fontos megjegyezni, hogy egy ciklus nem csak az akkumulátor 100%-ról 0%-ra való lemerítését jelenti. Például két 50%-os kisütés (az akkumulátor kapacitásának minden alkalommal 50%-át használva) szintén egy teljes ciklust jelent. A legtöbb lítium-ion akkumulátor 500–1500 teljes ciklus után megőrzi eredeti kapacitásának körülbelül 80%-át, a kémiától és a felhasználás módjától függően. A lítium-vas-foszfát (LFP) akkumulátorok, amelyeket sok helyhez kötött tárolómodellünkhöz használunk, általában tovább tartanak – gyakran 2000 ciklust vagy többet –, mint a nikkel-kobalt-alumínium (NCA) vagy a nikkel-mangán-kobalt (NMC) kémia, amelyek általánosak az elektromos járművekben és a hordozható energiahordozókban. A miénk8 Ah lítium-ion akkumulátorAz elektromos kéziszerszámokhoz például NMC kémiát használ, amelyet arra terveztek, hogy rövid ideig kezelje a nagy áramerősséget, és 800 ciklusra 80%-os kapacitásra van méretezve.

Érdemes megjegyezni, hogy a degradáció fokozatos, és nem minden kapacitásvesztés állandó. Néha úgy tűnik, hogy egy leromlott akkumulátort nem megfelelően használják. Például egy hónapok óta használaton kívüli akkumulátor kapacitása átmenetileg csökkenhet önkisülés miatt. A lítium-ion akkumulátorok önkisülése körülbelül havi 2-3%, de ha teljesen lemerülten tárolják, akkor az önkisülés anódkorrózióhoz, tartós veszteséghez vezethet. A tárolás utáni gyors, teljes töltés néha helyreállíthatja az ideiglenes kapacitáscsökkenést.

Akkumulátor beszállítóként a mi feladatunk nem csupán az akkumulátor eladása, hanem az, hogy az akkumulátor a lehető leghosszabb ideig jól működjön. Éveket töltöttünk el modelljeink tesztelésével, a kompakttól kezdve24v20ah lítium-ion akkumulátorgolfkocsik számára a nagy teljesítményűLítium-ion akkumulátor 60v 30ahelektromos motorkerékpárok esetében, hogy megértsük, hogyan befolyásolják a különböző használati minták a leromlást. Minden szállítmányhoz mellékelünk részletes kezelési útmutatót, amely tanácsot ad az ügyfeleknek az ideális töltési hőmérsékletről, az ajánlott DoD-szintekről és tárolási tippekről. A nagyobb akkumulátorflottával rendelkező ügyfelek számára, mint például az építőipari cégek vagy a napelem-szerelők, egyedi támogatást kínálunk, hogy segítsünk nekik olyan töltési infrastruktúrát felállítani, amely minimálisra csökkenti a leromlást, csökkentve a hosszú távú karbantartási és csereköltségeket.

Végső soron a kapacitáscsökkenés nem a lítium-ion technológia kudarca – ez az akkumulátorok működésének természetes velejárója, és ennek megértése az első lépés ahhoz, hogy a legtöbbet hozza ki befektetéséből. Legyen szó akár egyetlen elektromos kerékpárral rendelkező hobbiról, anyagmozgató gépparkot kezelő cégtulajdonosról vagy lakossági napelemes rendszert építő szerelőről, az akkumulátor kapacitásának elvesztését okozó okok ismeretében segít megváltoztatni szokásait, hogy meghosszabbítsa az élettartamát. Ha egy megbízható lítium-ion akkumulátort keres, amely az adott alkalmazásra lett szabva, és többet szeretne megtudni az élettartam maximalizálásáról, vegye fel a kapcsolatot csapatunkkal még ma, hogy megbeszéljük igényeit.

Referenciák:

1. Scrosati, B. és Garche, J. (2010). Lítium akkumulátorok: állapot, kilátások és jövő. Journal of Power Sources, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). Öregedési mechanizmusok lítium-ion akkumulátorokban. Journal of Power Sources, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V. és Chen, Z. (2019). A lítium-ion akkumulátor leromlási mechanizmusok és az egészségi állapot becslési módszereinek áttekintése. Energies, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G. és Johnson, C. (2001). Nagy teljesítményű, lítium-ion cellák differenciálfeszültség-analízise. 1. Technika és alkalmazás. Journal of Power Sources, 101(2), 238-245.