Životnost cyklu udává, kolik cyklů nabití{0}}vybití baterie projde, než se sníží na určitou předem definovanou úroveň kapacity. Obvykle je to 80 %, i když jsem viděl specifikace všude – 70 % pro některé automobilové aplikace, 85 % pro jiné. Samotný práh je svým způsobem libovolný a souvisí více s výpočty záruky než s jakoukoli základní vlastností chemie baterií.
Proč se baterie degradují
Vrstva SEI na grafitových anodách je pravděpodobně nejvíce studovaným mechanismem degradace v lithium-iontových bateriích. Když článek poprvé nabijete, elektrolyt se na povrchu anody rozloží a vytvoří tento pevný film-většinou uhličitan lithný, trochu fluoridu lithného, pokud používáte sůl LiPF6, různé organické druhy. Tato vrstva by se měla po několika cyklech stabilizovat. To ne. Pomalu roste a požírá lithium, které by mělo být na kole. Před několika lety jsem pracoval na projektu, který se snažil stabilizovat SEI pomocí přísad do elektrolytu. FEC (fluoroethylen karbonát) pomáhá, VC (vinylen karbonát) pomáhá více. Ani jeden to neřeší úplně.
Vysoko-niklové katody praskají. NMC811, což je 80 % niklu, 10 % manganu, 10 % kobaltu, podléhá masivním objemovým změnám během cyklování- mnohem více než starší kompozice NMC111 nebo NMC523. Částice se doslova rozpadají. Můžete to vidět pod SEM po několika stovkách cyklů. Společnost CATL kolem roku 2019 přišla na to, že pokud syntetizujete jednotlivé-krystalické částice namísto polykrystalických agregátů, které všichni vyráběli, eliminujete většinu praskání, protože neexistují žádné hranice zrn. Teď to zní jako samozřejmost, ale správné nastavení parametrů syntézy v měřítku trvalo roky. Myslím, že BYD dělá něco podobného se svou baterií Blade, ale o zpracování katody toho moc nezveřejňuje.
Na teplotě záleží víc než na čemkoli jiném, upřímně. Každým zvýšením o 10 stupňů zhruba zdvojnásobíte rychlost stárnutí. Není to přesné-různé mechanismy mají různé aktivační energie-, ale pro technické odhady je to dost blízko. Balíček, který běží v průměru 35 stupňů, vydrží mnohem déle než jeden při 45 stupních. Tesla se to brzy naučila s Roadsterem. Jejich pozdější vozy mají docela agresivní teplotní management, poběží chlazení, i když zaparkují, když se balíček příliš zahřeje.
Chlad je zvláštní. Chemie rozkladu se zpomaluje, což je dobře. Ale získáte mnohem vyšší odpor a pokud se pokusíte nabíjet příliš rychle, nanesete lithium na anodu, což je velmi špatné. Usazeniny lithia představují nevratnou ztrátu kapacity, a pokud z nich vyrostou dendrity, můžete získat vnitřní zkrat. Většina EV vám z tohoto důvodu nedovolí rychlé nabíjení DC pod 0 stupňů.
Hloubka vybití
Existuje tento známý-efekt, kdy mělká jízda na kole prodlužuje život. Pokud místo 100 % využijete pouze 40 % kapacity baterie, může se životnost cyklu ztrojnásobit. Možná víc. Mechanismy nejsou zcela jasné. Asi pomáhají menší objemové změny v elektrodách. Rozhodně pomáhá vyhnout se extrémním elektrodovým potenciálům, kde se zrychlují vedlejší reakce. Ale nikdo ve skutečnosti neuvedl přesný příspěvek každého faktoru.
Každý elektromobil před vámi skrývá určitou kapacitu. Když váš řídicí panel říká 0%, pravděpodobně jste na 5% skutečného SOC. Když se říká 100 %, jste na 95 % nebo možná 90 %. Výrobci tato čísla nezveřejňují. Zkoušel jsem to zvrátit-na mém starém Boltu tak, že jsem se podíval na data BMS přes sběrnici CAN, ale kalibrační tabulky jsou zašifrované.
Testování problémů s časovou osou
Nikdo nechce čekat 3-4 roky na ověření konstrukce baterie. Takže provádíme zrychlené testování – vyšší teploty, rychlejší cyklování. Problém je v tom, že ne všechny degradační mechanismy se zrychlují stejně. Někteří ano, někteří ne. Teplotní zrychlení funguje docela dobře pro většinu chemických procesů. Zrychlení rychlosti je útržkovité. A existují režimy selhání, které se projeví až po prodloužené kalendářní době, kterou prostě nemůžete vůbec zrychlit.
Nedávné předpovědi ML jsou zajímavé. Do modelu vložíte data z raného cyklu a ten předpovídá dlouhodobé-vytrácení kapacity. Stanford o tom publikoval nějakou práci v roce 2019, Carnegie Mellon udělal podobné věci. Na buňky, na kterých trénovali, funguje překvapivě dobře. Problémem je zobecnění. Změňte složení katody nebo složení elektrolytu a musíte se přeškolit s novými údaji, což trochu maří účel, pokud se snažíte předpovědět životnost nového návrhu.
Různé chemie
LFP má lepší životnost než NMC, tečka. Snadno můžete získat 3000-5000 cyklů, někdy i více. Penalizace za hustotu energie je brutální, i když-vzdáváte se 30–40 % ve srovnání s NMC s vysokým obsahem niklu. Čínští výrobci se rozhodli, že tento kompromis má smysl u levnějších elektromobilů, kde lidé nepotřebují dojezd 300+ mil. BYD, CATL, všichni tam dělají LFP pro vozidla standardní řady. Západní výrobci OEM jej přijímají pomaleji. Kulturní rozdíl nebo rozdíl na trhu nebo obojí, nejsem si jistý.
Sodíkový-ion má mít podobnou životnost jako LFP podle toho, co tvrdí CATL a Natron, ale vyrábí se teprve rok, takže kdo ví, co se stane po 5+ letech v terénu.
Pevný-stav slibuje lepší životnost, protože žádný kapalný elektrolyt znamená stabilnější rozhraní. Ale stále nejsou komerčně dostupné. QuantumScape je „dva roky pryč“ už asi šest let. Odpor rozhraní, ztráta kontaktu během cyklování, lithiové dendrity v některých provedeních-tyto problémy jsou těžší, než si kdokoli myslel. Možná, že sulfidové elektrolyty budou fungovat lépe než oxidy. Údaje pocházející z Japonska naznačují, že možná.
Kalendářní stárnutí
To se často ignoruje, ale je to obrovské pro vozidla, která příliš nejezdí. Vaše baterie se degraduje, když tam sedíte. Na skladovací teplotě a SOC záleží. Nejhorším případem je 100% nabití při vysoké teplotě-přijdete o několik procentních bodů ročně, nicneděláním. 40% SOC při pokojové teplotě je optimální úložiště, ale samozřejmě není praktické pro auto, které skutečně používáte.
Mřížkové úložiště je úplně jiné zvíře. Potřebujete životnost 20+ roků, což znamená minimum 7000+ cyklů, pravděpodobně 10,000+, pokud provádíte více cyklů denně. Snesete ale nižší energetickou hustotu a máte více prostoru pro tepelný management. Ekonomika funguje jinak-CAPEX je důležitější než OPEX, když amortizujete po desetiletí.
Nevím dost o nových typech baterií, abych řekl hodně užitečné. Lithium-síra má stále strašnou životnost díky polysulfidovému raketoplánu, ačkoli některé společnosti tvrdí, že to vyřešily. Lithiové-kovové anody spárované s pevnými elektrolyty mohou být cestou vpřed, ale problém s dendritem nezmizel. A i když materiály fungují, rozšiřování výroby čehokoli nového trvá minimálně 5-10 let. Takže ať už bude následovat cokoli, zůstaneme u lithium-iontových variací minimálně další desetiletí.
Nevím dost o nových typech baterií, abych řekl hodně užitečné. Lithium-síra má stále strašnou životnost díky polysulfidovému raketoplánu, ačkoli některé společnosti tvrdí, že to vyřešily. Lithiové-kovové anody spárované s pevnými elektrolyty mohou být cestou vpřed, ale problém s dendritem nezmizel. A i když materiály fungují, rozšiřování výroby čehokoli nového trvá minimálně 5-10 let. Takže ať už bude následovat cokoli, zůstaneme u lithium-iontových variací minimálně další desetiletí.
Lithium-polymerové bateriesedět někde mezi-lepší flexibilitou balení než válcové články, životnost srovnatelná se standardním lithiovým-iontem, pokud udržíte přiměřené teploty. Slušná volba pro omezené prostory, ale nic převratného.
