Полное руководство по старению батареи

Для многих поставщиков транспортных и энергетических услуг приоритетной задачей является обеспечение долговечности и оптимальной производительности своих аккумуляторов. Лучше понимая старение аккумуляторов, мы можем узнать, как продлить срок их службы.

Статья из | Аккумуляторный интеллект ACCURE

В этой статье будет представлено много новых терминов, касающихся старения литий-ионных аккумуляторов. Поскольку не все являются экспертами в области аккумуляторов, позвольте мне объяснить несколько основных терминов, которые помогут нам легче понять тему старения аккумуляторов:

Ключевой термин

Определение

Старение батареи является очень сложным, нелинейным процессом и зависит от многих параметров. Например, можно заметить, что батареи стареют, даже если они не используются. Но, как правило, батареи стареют быстрее, если ими пользоваться. Чтобы справиться со сложностью, общепринятой практикой является разделение старения на три сегмента: календарное, циклическое и обратимое старение:

Когда батареи стареют, одновременно действуют различные механизмы старения. Каждый механизм старения влияет на поведение батареи. Воздействие можно разделить на два рабочих параметра: емкость и внутреннее сопротивление.

Батареи теряют емкость с возрастом. Для электромобиля потеря мощности означает, что электромобиль не может проехать так же далеко, как раньше, без остановки для подзарядки. А для стационарного хранения энергии это означает, что батарея может хранить меньше энергии и, следовательно, приносить меньший доход. Насколько быстро снижается емкость, зависит от ряда факторов, включая тип батареи, скорость зарядки и разрядки, температуру, которой она подвергается, и количество выполненных циклов.

Глядя на старение литий-ионной батареи, тенденцию старения можно условно разделить на три фазы, как показано на рисунке 1:

Рисунок 1. Старение батареи – типичный жизненный цикл емкости батареи‍

В отличие от потери емкости, внутреннее сопротивление аккумулятора со временем увеличивается, что, наоборот, приводит к снижению мощности. Это особенно актуально для гибридных электромобилей (HEV). Увеличение внутреннего сопротивления в HEV означает, что вы не можете ускоряться так же быстро, как раньше, и они восстанавливают меньше энергии при торможении. Для операторов стационарных хранилищ это означает снижение эффективности и мощности.

Основной причиной старения литий-ионных аккумуляторов является рост межфазной поверхности поверхностного электролита (SEI). Слой SEI формируется на отрицательном электроде во время первого цикла зарядки, обычно называемого циклом формирования. SEI со временем становится толще, и на него в основном влияют химический состав электролита и механическое напряжение активных материалов. SEI обычно формируется на аноде, который в основном состоит из графита, иногда с примесью кремния.

По мере роста межфазной поверхности поверхностного электролита она связывает литий. Впоследствии в реакциях зарядки и разрядки участвует меньше ионов лития, и емкость аккумулятора снижается. Ионы лития также проходят через слой SEI, когда аккумулятор заряжается и разряжается. Чем толще SEI, тем труднее ионам проходить через него. Вот почему внутреннее сопротивление увеличивается: SEI растет по мере старения батареи.

Помимо роста SEI, существует множество дополнительных процессов, таких как растрескивание и коррозия, которые влияют на старение батареи, но мы рассмотрим их в другой статье.

Календарное старение

Основными факторами календарного старения являются температура и уровень заряда (SOC). В целом, при более высоких температурах и SOC-батареях старение происходит быстрее. Среднее снижение температуры на 10°C или 50°F может удвоить срок службы батареи, как показано на рисунке 2. Однако помните, что не следует эксплуатировать батареи при слишком низких температурах из-за литиевой оплетки.

Рисунок 2. Сравнение старения аккумуляторов с течением времени при различных состояниях заряда и температурах.

‍

При более высоких значениях SOC – особенно выше 90 процентов – старение аккумуляторов быстро увеличивается, как показано на рисунках 3.3, 4, 5.

Рисунок 3. Сравнение старения аккумуляторов с течением времени при различных состояниях заряда.