Żywotność cykliczna to liczba cykli-rozładowań, przez które przechodzi bateria, zanim pojemność spadnie do określonego wcześniej poziomu. Zwykle jest to 80%, chociaż widziałem wszędzie specyfikacje – 70% w przypadku niektórych zastosowań motoryzacyjnych, 85% w przypadku innych. Sam próg jest w pewnym sensie arbitralny i ma więcej wspólnego z obliczeniami gwarancyjnymi niż z jakąkolwiek podstawową właściwością chemii akumulatora.
Dlaczego baterie ulegają degradacji
Warstwa SEI na anodach grafitowych jest prawdopodobnie najlepiej zbadanym mechanizmem degradacji w akumulatorach litowo-jonowych. Kiedy ładujesz ogniwo po raz pierwszy, elektrolit rozkłada się na powierzchni anody i tworzy stałą warstwę,-głównie węglan litu, trochę fluorku litu, jeśli używasz soli LiPF6, i różne związki organiczne. Warstwa ta powinna ustabilizować się po kilku cyklach. Tak nie jest. Rośnie powoli, pochłaniając lit, który powinien krążyć. Kilka lat temu pracowałem nad projektem, próbując ustabilizować SEI za pomocą dodatków elektrolitowych. Pomaga FEC (węglan fluoroetylenu), bardziej pomaga VC (węglan winylenu). Żadne z nich nie rozwiązuje tego całkowicie.
Pęknięcie katod o wysokiej-niklu. NMC811, który składa się z 80% niklu, 10% manganu i 10% kobaltu, ulega ogromnym zmianom objętości podczas jazdy na rowerze-znacznie bardziej niż starsze kompozycje NMC111 i NMC523. Cząsteczki dosłownie się rozpadają. Widać to pod SEM po kilkuset cyklach. Około 2019 r. CATL odkrył, że jeśli syntetyzujesz cząstki pojedynczego-kryształu zamiast agregatów polikrystalicznych, które wszyscy wytwarzali, wyeliminujesz większość pęknięć, ponieważ nie ma granic ziaren. Teraz wydaje się to oczywiste, ale uzyskanie parametrów syntezy na odpowiednią skalę zajęło lata. Myślę, że BYD robi coś podobnego ze swoją baterią Blade, ale nie publikuje zbyt wiele na temat przetwarzania katod.
Szczerze mówiąc, temperatura ma większe znaczenie niż cokolwiek innego. Na każde 10 stopni wzrostu, tempo starzenia się jest w przybliżeniu dwukrotnie większe. To nie jest dokładne,-różne mechanizmy mają różne energie aktywacji-ale jest wystarczająco bliskie, aby można je było oszacować inżyniersko. Opakowanie działające przy średniej temperaturze 35 stopni wytrzyma znacznie dłużej niż opakowanie przy 45 stopniach. Tesla nauczyła się tego wcześnie, pracując nad Roadsterem. Ich późniejsze samochody mają dość agresywne zarządzanie temperaturą, będą chłodzić nawet po zaparkowaniu, jeśli pakiet stanie się zbyt gorący.
Zimno jest dziwne. Chemia degradacji spowalnia, co jest dobre. Ale uzyskasz znacznie większy opór i jeśli spróbujesz ładować zbyt szybko, na anodzie położysz lit, co jest bardzo złe. Osady litu powodują nieodwracalną utratę pojemności i jeśli przerosną w dendryty, może dojść do wewnętrznego zwarcia. Z tego powodu większość pojazdów elektrycznych nie pozwala na szybkie ładowanie prądem stałym poniżej 0 stopni.
Głębokość wyładowania
Istnieje dobrze-znany efekt polegający na tym, że płytka jazda na rowerze wydłuża życie. Jeśli wykorzystasz tylko 40% pojemności akumulatora zamiast 100%, możesz potroić jego żywotność. Może więcej. Mechanizmy nie są całkowicie jasne. Prawdopodobnie pomocne są mniejsze zmiany objętości elektrod. Zdecydowanie pomaga unikanie ekstremalnych potencjałów elektrod, w przypadku których reakcje uboczne przyspieszają. Ale tak naprawdę nikt nie określił dokładnego udziału każdego czynnika.
Każdy pojazd elektryczny kryje przed Tobą pewną pojemność. Kiedy na pulpicie nawigacyjnym jest napisane 0%, prawdopodobnie masz 5% rzeczywistego SOC. Kiedy mówi 100%, masz 95%, a może 90%. Producenci nie publikują tych liczb. Próbowałem-odtworzyć to w moim starym Bolcie, przeglądając dane BMS przez magistralę CAN, ale tabele kalibracyjne są zaszyfrowane.
Testowanie problemów z harmonogramem
Nikt nie chce czekać 3-4 lat na zatwierdzenie projektu baterii. Dlatego przeprowadzamy przyspieszone testy – wyższe temperatury, szybsze cykle. Problem w tym, że nie wszystkie mechanizmy degradacji przyspieszają w ten sam sposób. Niektórzy tak, niektórzy nie. Przyspieszenie temperatury działa całkiem dobrze w przypadku większości procesów chemicznych. Przyspieszenie tempa jest pobieżne. Istnieją również tryby awarii, które pojawiają się dopiero po dłuższym czasie kalendarzowym, których po prostu nie można w ogóle przyspieszyć.
Najnowsze prognozy ML są interesujące. Wprowadzasz do modelu dane z wczesnego cyklu, a on prognozuje-długoterminowy spadek wydajności. Stanford opublikował prace na ten temat w 2019 r., Carnegie Mellon zrobiła podobne rzeczy. Działa zaskakująco dobrze na komórkach, na których trenowali. Generalizacja jest problemem. Zmień skład katody lub skład elektrolitu i musisz przeszkolić się z nowymi danymi, co w pewnym sensie mija się z celem, jeśli próbujesz przewidzieć żywotność nowego projektu.
Różne chemikalia
LFP ma lepszą żywotność cykliczną niż NMC, kropka. Z łatwością możesz uzyskać 3000-5000 cykli, czasem więcej. Kara za gęstość energii jest brutalna,-ale rezygnujesz z 30–40% w porównaniu z NMC o wysokiej zawartości niklu. Chińscy producenci uznali, że ten kompromis ma sens w przypadku tańszych pojazdów elektrycznych, w przypadku których ludzie nie potrzebują zasięgu wynoszącego 300+ mil. BYD, CATL, wszyscy tam robią LFP dla pojazdów o standardowym zasięgu. Zachodni producenci OEM wolniej go wdrażają. Różnica kulturowa, różnica rynkowa, a może jedno i drugie, nie jestem pewien.
Jon sodu ma mieć podobny cykl życia jak LFP, jak twierdzą firmy CATL i Natron, ale jego produkcja trwa dopiero od roku, więc kto wie, co się stanie po 5+ latach pracy w terenie.
Stan stały-obiecuje dłuższą żywotność cykliczną, ponieważ brak ciekłego elektrolitu oznacza bardziej stabilne interfejsy. Ale nadal nie są dostępne w handlu. QuantumScape jest dostępne „dwa lata” od około sześciu lat. Rezystancja interfejsu, utrata styku podczas przełączania, dendryty litu w niektórych konstrukcjach-te problemy są trudniejsze, niż ktokolwiek przypuszczał. Może elektrolity siarczkowe będą działać lepiej niż tlenki. Dane napływające z Japonii sugerują, że być może.
Starzenie się kalendarza
Często jest to ignorowane, ale jest ogromne w przypadku pojazdów, które nie są zbyt często eksploatowane. Bateria degraduje się od samego siedzenia. Zarówno temperatura przechowywania, jak i SOC mają znaczenie. Najgorszy przypadek to 100% naładowania w wysokiej temperaturze-stracisz wiele punktów procentowych rocznie, nie robiąc nic. 40% SOC w temperaturze pokojowej to optymalne przechowywanie, ale oczywiście niepraktyczne w przypadku samochodu, którego faktycznie używasz.
Magazynowanie siatkowe to zupełnie inne zwierzę. Potrzebujesz 20+ lat życia, co oznacza minimum 7000+ cykli, prawdopodobnie 10,000+, jeśli codziennie wykonujesz wiele cykli. Ale możesz tolerować niższą gęstość energii i masz więcej miejsca na zarządzanie ciepłem. Ekonomia działa inaczej.-Nakłady inwestycyjne mają większe znaczenie niż OPEX, gdy amortyzacja trwa dziesięciolecia.
Nie mam wystarczającej wiedzy na temat nowych typów baterii, aby powiedzieć, że są one bardzo przydatne. Lit-siarka ma straszny cykl życia ze względu na wahadłowiec polisiarczkowy, chociaż niektóre firmy twierdzą, że udało im się go rozwiązać. Anody litowo-metalowe-w połączeniu z elektrolitami stałymi mogą być rozwiązaniem, ale problem dendrytów nie zniknął. Nawet jeśli materiały się sprawdzą, zwiększenie skali produkcji czegokolwiek nowego zajmie co najmniej 5-10 lat. Zatem cokolwiek będzie dalej, utkniemy w odmianach litowo-jonowych przez co najmniej kolejną dekadę.
Nie mam wystarczającej wiedzy na temat nowych typów baterii, aby powiedzieć, że są one bardzo przydatne. Lit-siarka ma straszny cykl życia ze względu na wahadłowiec polisiarczkowy, chociaż niektóre firmy twierdzą, że udało im się go rozwiązać. Anody litowo-metalowe-w połączeniu z elektrolitami stałymi mogą być rozwiązaniem, ale problem dendrytów nie zniknął. Nawet jeśli materiały się sprawdzą, zwiększenie skali produkcji czegokolwiek nowego zajmie co najmniej 5-10 lat. Zatem cokolwiek będzie dalej, utkniemy w odmianach litowo-jonowych przez co najmniej kolejną dekadę.
Baterie litowo-polimeroweplasują się gdzieś pomiędzy-lepszą elastycznością pakowania niż ogniwa cylindryczne, żywotnością cykliczną porównywalną ze standardowym-litem litowo-jonowym, jeśli utrzymuje się rozsądne temperatury. Przyzwoita opcja dla ograniczonych przestrzeni, ale nic rewolucyjnego.
