Причини деградації батареї

Довідкові статтіЖурнал PV

Серед великої різноманітності акумуляторів кожен тип елементів і підвиди пристроїв мають унікальну вразливість до деградації під впливом використання та інших факторів. Деякі клітини процвітають при низькій температурі, інші — при високих струмах. Однак така спеціалізація часто коштує дорого.

Старіння акумулятора пов’язане або з часом (у випадках календарного або «календарного» старіння), або з використанням, причому заряджання та розрядження представляють «циклічне» старіння.

Обидві форми старіння сприяють зменшенню ємності та ефективності та збільшенню внутрішнього опору, оскільки іони назавжди потрапляють у пастку неприємних побічних реакцій. Ці реакції викликані різними «факторами впливу». Як правило, іони необоротно реагують з іншими матеріалами в клітині, утворюючи пасивний залишок і запобігаючи їх використанню для транспортування енергії.

Загальні фактори впливу, вплив яких залежить від типу елемента, включають температуру елементів акумулятора; стан заряду пристрою (SOC); і струм або потужність, яка використовується під час заряджання та розряджання. Щодо стану заряду – кількості заряду або енергії в акумуляторі – неактивний SOC має значення, коли акумулятор не використовується, а вікно SOC (діапазон, у якому відбувається циклічне змінення) актуальне, коли пристрій циклічно змінюється.

Механічні навантаження, такі як вібрація та тиск, є ще одним фактором, що впливає на погіршення якості батареї, але поки що ми зосередимося на трьох факторах, наведених вище.

температура

Температура відіграє ключову роль у терміні служби акумулятора. Більшість клітинних хімічних речовин виграє від зберігання та простою при низьких температурах, нижче 20 C, оскільки це уповільнює старіння календаря, зменшуючи ймовірність побічних реакцій. Робота на холостому ході при вищих температурах може значно збільшити швидкість деградації.

І навпаки, більшість технологій клітин дуже чутливі до роботи при низьких температурах, що викликає дилему. Оскільки температура від 30 до 40 °C є нижчою за оптимальну, найкраща температура для роботи елементів батареї становить приблизно від 15 °C до 25 °C для більшості хімікатів. Нові нікель-марганцево-кобальтові (NMC) батареї дуже чутливі до заряджання при низькій температурі, тому можуть виникнути небезпечні дефекти, якщо заряджати при температурі нижче 10 C. На графіку ліворуч показано три високоякісні елементи NMC одного типу , швидкість деградації трохи покращується шляхом зниження робочої температури на 10 C, з 25 C (помаранчева лінія) до 15 C (фіолетова лінія). Однак зниження температури на 10 C (синя лінія) призведе до виходу з ладу акумулятора майже одразу.

Покриття літієм

Літій-іонні (li-ion) батареї загалом безпечні, але за певних умов – за низьких температур, під сильним струмом або з уже добре заповненим основним електродом – вони можуть мати літієве покриття. Наведений вище приклад демонструє вплив покриття при низькій температурі. Покриття — це форма залишку, яка виникає, коли іони літію утворюють металеві відкладення всередині елементів акумулятора. З часом цей процес може накопичуватися і зрештою призводити до внутрішніх коротких замикань, які можуть спровокувати тепловий витік – швидке та небезпечне виділення тепла та газів.

SOC

Рівень заряду істотно впливає на термін служби акумулятора. Мають значення як неактивний SOC під час невикористання (що стосується календарного старіння), так і діапазон чи вікно SOC під час роботи (циклічне старіння). У наступному прикладі показано дві ідентичні комірки NMC.

На графіку нижче показано еволюцію деградації двох майже ідентичних випадків використання високоякісних елементів NMC.

Обидва використовують лише близько 50% батареї, і перший варіант використання (синя лінія) відбувається у верхній половині SOC, починаючи з повного заряду та падає до 50%, перш ніж знову повністю зарядитися. Другий варіант використання (помаранчевим) починається з 50% заряду і закінчується практично порожнім. Як показують графіки, вплив на деградацію неймовірний: помаранчева батарея буде працювати вдвічі-втричі довше, ніж синя, зменшуючи загальну вартість володіння більш ніж наполовину.

Однак слід підкреслити, що це приклад конкретного типу клітини, і інші пристрої та клітини можуть поводитися зовсім по-іншому. Як правило, уникнення SOC вище 90% і нижче 10% зазвичай подовжує термін служби батареї, але є винятки.