Apakah penurunan kapasiti bateri ion litium dari semasa ke semasa?

Jika anda pernah membeli skuter elektrik berprestasi tinggi, sistem storan tenaga yang teguh untuk kabin luar grid anda, atau peralatan perindustrian yang haus kuasa, kemungkinan besar anda telah bergantung pada bateri ion litium untuk memastikan ia berfungsi. Sebagai pembekal dengan pengalaman bertahun-tahun bekerja denganBateri Litium Ion 60v 30ah,Bateri Litium 80v, dan model lain yang disesuaikan, saya telah kehilangan pengiraan bilangan pelanggan yang memulakan perbualan dengan soalan yang serupa: "Mengapa bateri saya memegang kurang cas berbanding semasa saya mula-mula membelinya?" Ia merupakan isu sejagat yang mengecewakan dan yang berakar umbi dalam kimia asas tentang cara bateri ion litium berfungsi—dan cara kita menggunakannya dari semasa ke semasa.

Kemerosotan kapasiti, kehilangan perlahan keupayaan bateri untuk menyimpan dan menghantar tenaga elektrik, bukanlah satu kecacatan unik kepada teknologi ion litium, tetapi ia merupakan faktor kritikal bagi sesiapa sahaja yang bergantung pada bateri ini untuk prestasi yang konsisten. Tidak seperti bateri asid plumbum, yang cenderung gagal secara tiba-tiba, bateri ion litium merosot secara beransur-ansur, jadi anda mungkin tidak perasan penurunan kapasiti yang perlahan pada mulanya—sehingga motosikal elektrik anda hanya membuatnya sejauh 20 batu dengan pengecasan dan bukannya 30 berkadar, atau sistem kuasa sandaran anda berjalan separuh masa ia lakukan setahun yang lalu. Memahami apa yang menyebabkan kemerosotan ini bukan sekadar akademik untuk kami sebagai pembekal; ia membantu kami mendidik pelanggan tentang cara memaksimumkan jangka hayat bateri mereka, dan ia membentuk cara kami mereka bentuk dan menguji model yang kami sediakan, daripada kompakBateri Litium Ion 8 Ahuntuk alat kuasa mudah alih kepada tugas beratBateri Litium Ion 300ahuntuk penyimpanan skala grid.

Untuk mengetahui punca kehilangan kapasiti, mari kita mulakan dengan cara bateri ion litium berfungsi pada terasnya. Di dalam setiap bateri litium ion, terdapat dua elektrod: katod positif (biasanya diperbuat daripada oksida logam litium, seperti litium kobalt oksida atau fosfat besi litium) dan anod negatif, yang paling biasa diperbuat daripada grafit. Elektrod ini dipisahkan oleh membran berliang nipis, terendam dalam elektrolit cecair atau gel yang membolehkan ion litium bergerak ke sana ke mari antara kedua-dua belah. Apabila anda mengecas bateri, ion litium meninggalkan katod, bergerak melalui elektrolit dan membran, dan membenamkan diri mereka dalam anod grafit. Apabila anda menyahcas, prosesnya terbalik: ion litium bergerak kembali ke katod, membebaskan tenaga yang menggerakkan peranti anda.

Tarian ion ini kedengaran mudah, tetapi selama beratus-ratus kitaran cas dan nyahcas, perubahan kecil terkumpul berlaku di dalam bateri yang memperlahankannya dan mengurangkan jumlah cas yang boleh disimpan. Perubahan ini termasuk dalam beberapa kategori utama dan selalunya dipengaruhi oleh cara anda menggunakan dan menjaga bateri. Mari kita pecahkan satu demi satu, dengan contoh yang terikat pada bateri yang kami bekalkan.

Pertama, punca kemerosotan yang paling meluas ialah pembentukan interfasa pepejal-elektrolit, atau singkatannya SEI. Apabila bateri ion litium mula-mula dicas, sejumlah kecil elektrolit pada permukaan anod terurai dan membentuk lapisan pepejal nipis yang menyelubungi zarah grafit. SEI adalah kritikal: ia telap ion, jadi ia membenarkan ion litium melalui anod, tetapi ia menghalang tindak balas yang tidak diingini lagi antara elektrolit dan anod yang boleh merosakkan bateri. Masalahnya, lapisan ini tidak statik. Setiap kali bateri dicas dan dinyahcas, sejumlah kecil litium terperangkap dalam lapisan SEI, bukannya bergerak bebas antara elektrod. Lama kelamaan, litium yang terperangkap ini bertambah, menyebabkan kurang tersedia untuk kuasa peranti anda. Untuk yang kecilBateri Litium Ion 24v20ahuntuk traktor rumput, ini bermakna selepas 500 kitaran penuh, anda mungkin melihat penurunan kapasiti sebanyak 10%—sesuatu yang ramai pelanggan perasan apabila mesin pemotong mereka hanya boleh memotong separuh halaman sebelum memerlukan tambah nilai.

Faktor besar kedua ialah degradasi katod. Katod ialah sumber ion litium yang menjadikan bateri berfungsi, dan ia sama terdedah untuk dipakai seperti anod. Sepanjang kitaran, zarah-zarah kecil yang membentuk katod boleh retak atau pecah. kenapa? Ion litium yang bergerak masuk dan keluar dari katod menyebabkan bahan mengembang dan mengecut sedikit dengan setiap cas. Selepas beribu-ribu kitaran, pengembangan dan pengecutan berulang itu melemahkan struktur katod, menyebabkan zarah terbelah. Apabila ini berlaku, sesetengah litium tidak lagi boleh diakses—ia terperangkap di dalam zarah pecah, tidak dapat bergerak ke anod semasa pengecasan. Untuk bateri voltan tinggi seperti kamiBateri Litium 80v, yang menggerakkan peralatan pembinaan berat, jenis degradasi ini dipercepatkan oleh voltan tinggi dan beban arus tinggi. Operator sering menjalankan bateri ini pada kapasiti hampir penuh untuk regangan yang panjang, yang mempercepatkan kehausan katod—jadi syarikat pembinaan mungkin mula menyedari penurunan kapasiti sebanyak 15% selepas hanya 300 kitaran, manakala bateri penggunaan masa lapang mungkin bertahan 500 kitaran sebelum mencapai tanda itu.

Satu lagi punca biasa ialah penyaduran litium. Ini ialah isu yang timbul apabila bateri dicas terlalu cepat, terutamanya dalam suhu sejuk. Di bawah keadaan pengecasan biasa, ion litium bergerak dari katod ke anod dan membenamkan diri dalam struktur grafit. Tetapi jika anda mengecas bateri lebih cepat daripada yang boleh digerakkan oleh ion, atau jika bateri terlalu sejuk, ion sukar untuk dibenamkan. Sebaliknya, ia membentuk endapan litium logam yang kecil pada permukaan anod. Dari masa ke masa, mendapan ini boleh berkembang menjadi struktur seperti jarum yang dipanggil dendrit, yang menembusi pemisah antara anod dan katod, menyebabkan litar pintas. Walaupun penyaduran litium yang lebih kecil, bagaimanapun, bukan sahaja menyebabkan risiko keselamatan—ia menyedut litium yang ada, yang membawa kepada kehilangan kapasiti kekal. Untuk pelanggan yang menggunakan kamiBateri Litium Ion 60v 30ahuntuk basikal elektrik, ini adalah isu yang kerap berlaku jika mereka mengecas basikal mereka di garaj yang turun kepada 30°F atau lebih rendah semasa musim sejuk. Saya telah menerima lebih daripada beberapa pelanggan kembali dengan mengatakan bateri mereka yang pernah mengecas sepenuhnya dalam 2 jam kini mengambil masa 4 jam, dan hanya memegang 80% daripada casnya—yang berakar pada penyaduran litium daripada pengecasan pantas sejuk.

Faktor luaran juga memainkan peranan besar dalam kepantasan bateri merosot, dan ini selalunya dalam kawalan pengguna. Suhu adalah yang terbesar. Bateri litium ion paling gembira dalam persekitaran suhu bilik yang sederhana, antara 20°C dan 25°C (68°F hingga 77°F). Jika bateri menjadi terlalu panas—seperti duduk di dalam kereta tertutup yang diletakkan di bawah sinaran matahari terus sepanjang musim panas, atau digunakan untuk menghidupkan peranti yang panas selama berjam-jam—tindak balas kimia di dalamnya mempercepatkan secara mendadak, mempercepatkan pembentukan SEI, kehausan katod dan penyaduran litium. Sebaliknya, meninggalkan bateri dalam keadaan sejuk yang melampau, tidak digunakan, untuk tempoh yang lama juga boleh merosakkannya. Saya sentiasa menasihati pelanggan yang mempunyai bateri ganti untuk RV atau bot mereka untuk menyimpannya pada kadar cas sekitar 50%, di tempat yang sejuk dan kering, dan bukannya membiarkannya dicas sepenuhnya atau dinyahcas sepenuhnya selama berbulan-bulan. Bateri yang dinyahcas sepenuhnya boleh mengalami hakisan anod, manakala bateri yang dicas penuh dalam haba akan merosot lebih cepat daripada satu pada separuh cas.

Kedalaman nyahcas (DoD) adalah satu lagi faktor utama. Kedalaman nyahcas merujuk kepada jumlah kapasiti keseluruhan bateri yang anda gunakan sebelum mengecasnya. Sebagai contoh, jika andaBateri Litium Ion 300ahdigunakan untuk menghidupkan sistem storan suria, dan anda hanya menggunakan 150ah sehari, itu 50% DoD. Jika anda mengalirkannya ke 30ah, itu adalah 90% DoD. Peraturan praktikal ialah: lebih dalam anda menyahcas bateri anda, lebih cepat ia akan merosot. Setiap kali anda mengitar bateri 100% daripada penuh kepada kosong, anda memberikan lebih banyak tekanan pada anod dan katod berbanding nyahcas cetek. Bagi pelanggan yang menggunakan bateri mereka untuk aplikasi seperti peranti perubatan atau kuasa sandaran, di mana kebolehpercayaan tidak boleh dirundingkan, ini bermakna merancang penggunaan tenaga mereka untuk mengelakkan nyahcas dalam apabila boleh. Kami mereka bentuk bateri kami dengan mengambil kira perkara ini, membina litar perlindungan yang menghalang lebihan nyahcas, tetapi kami masih bekerjasama rapat dengan pelanggan untuk membantu mereka melaraskan corak penggunaan mereka untuk memanjangkan hayat bateri.

Kiraan kitaran ialah metrik yang lebih mudah untuk difahami dan selalunya perkara yang disenaraikan pada lembaran data bateri sebagai jangka hayat bateri. Kitaran dikira sebagai satu nyahcas dan cas semula penuh—tetapi penting untuk ambil perhatian bahawa kitaran bukan sahaja menguras bateri daripada 100% kepada 0%. Contohnya, dua nyahcas 50% (menggunakan 50% kapasiti bateri setiap kali) juga menambah sehingga satu kitaran penuh. Kebanyakan bateri litium ion akan mengekalkan kira-kira 80% daripada kapasiti asalnya selepas 500 hingga 1,500 kitaran penuh, bergantung pada kimia dan cara ia digunakan. Bateri litium besi fosfat (LFP), yang kami gunakan untuk kebanyakan model storan pegun kami, cenderung untuk bertahan lebih lama—selalunya 2,000 kitaran atau lebih—daripada kimia nikel-kobalt-aluminium (NCA) atau nikel-mangan-kobalt (NMC), yang biasa digunakan dalam kenderaan elektrik dan aplikasi kuasa mudah alih. kamiBateri Litium Ion 8 Ahuntuk alatan kuasa, contohnya, menggunakan kimia NMC, yang direka untuk mengendalikan saliran arus tinggi untuk tempoh yang singkat, dan ia dinilai untuk kapasiti 800 kitaran hingga 80%.

Perlu diingat bahawa kemerosotan adalah beransur-ansur, dan tidak semua kehilangan kapasiti adalah kekal. Kadangkala, apa yang kelihatan seperti bateri yang rosak tidak digunakan dengan betul. Sebagai contoh, bateri yang tidak digunakan selama berbulan-bulan mungkin mengalami penurunan sementara dalam kapasiti akibat nyahcas sendiri. Bateri litium ion nyahcas sendiri pada kadar kira-kira 2-3% sebulan, tetapi jika ia disimpan dalam keadaan dinyahcas sepenuhnya, nyahcas sendiri itu boleh menyebabkan hakisan anod, kerugian kekal. Caj penuh yang cepat selepas storan kadangkala boleh memulihkan penurunan kapasiti sementara itu.

Sebagai pembekal bateri, tugas kami bukan hanya untuk menjual bateri kepada anda—ia adalah untuk memastikan bateri berfungsi dengan baik selama mungkin. Kami telah menghabiskan masa bertahun-tahun menguji model kami, dari padatBateri Litium Ion 24v20ahuntuk kereta golf kepada kuasa tinggiBateri Litium Ion 60v 30ahuntuk motosikal elektrik, untuk memahami cara corak penggunaan yang berbeza mempengaruhi kemerosotan. Kami menyertakan panduan penjagaan terperinci dengan setiap penghantaran, menasihati pelanggan tentang suhu pengecasan yang ideal, tahap DoD yang disyorkan dan petua storan. Bagi pelanggan yang mempunyai kumpulan bateri yang lebih besar, seperti syarikat pembinaan atau pemasang solar, kami menawarkan sokongan tersuai untuk membantu mereka menyediakan infrastruktur pengecasan yang meminimumkan degradasi, mengurangkan kos penyelenggaraan dan penggantian jangka panjang mereka.

Pada penghujung hari, kemerosotan kapasiti bukanlah kegagalan teknologi ion litium—ia adalah sebahagian daripada cara bateri ini berfungsi, dan memahami ia adalah langkah pertama untuk memanfaatkan sepenuhnya pelaburan anda. Sama ada anda seorang penggemar basikal elektrik tunggal, pemilik perniagaan yang menguruskan kumpulan peralatan pengendalian bahan, atau pemasang membina sistem suria kediaman, mengetahui punca bateri anda kehilangan kapasiti membantu anda menyesuaikan tabiat anda untuk memanjangkan hayatnya. Jika anda berada di pasaran untuk bateri litium ion yang boleh dipercayai, disesuaikan dengan aplikasi khusus anda dan ingin mengetahui lebih lanjut tentang cara memaksimumkan jangka hayatnya, hubungi pasukan kami hari ini untuk membincangkan keperluan anda.

Rujukan:

1. Scrosati, B., & Garche, J. (2010). Bateri litium: Status, prospek dan masa depan. Jurnal Sumber Kuasa, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). Mekanisme penuaan dalam bateri litium-ion. Jurnal Sumber Kuasa, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V., & Chen, Z. (2019). Kajian semula mekanisme degradasi bateri lithium-ion dan kaedah anggaran kesihatan. Tenaga, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001). Analisis voltan pembezaan sel litium-ion berkuasa tinggi. 1. Teknik dan aplikasi. Jurnal Sumber Kuasa, 101(2), 238-245.