Понимание деградации литиевых аккумуляторов и способы ее предотвращения

Технология литий-ионных аккумуляторов обеспечивает работу критически важных промышленных приложений, гарантируя надежность и эффективность. Эти аккумуляторы доминируют на рынке медицинских аккумуляторов с долей 50,73% по состоянию на 2023 год и, по прогнозам, будут расти со среднегодовым темпом роста 6,48% с 2024 по 2032 год. Их высокая плотность энергии и длительный срок службы делают их незаменимыми для робототехники , измерительных приборов и портативных медицинских систем . Однако проблемы с постепенным ухудшением литиевых аккумуляторов, такие как снижение емкости и повышенное сопротивление, могут нарушить работу и привести к росту затрат. Понимание того, что приводит к ухудшению качества работы аккумулятора, имеет важное значение для поддержания эффективности и предотвращения ненужных расходов.

Ключевые выводы

• Поддерживайте уровень заряда литий-ионных аккумуляторов от 20% до 80%. Это помогает им работать дольше и лучше.

• Храните аккумуляторы при уровне заряда около 50% в сухом прохладном месте. Это уменьшает повреждения и продлевает срок их службы.

• Используйте системы управления батареями (BMS) для проверки состояния батареи. Отслеживайте такие параметры, как ее состояние (SOH) и внутреннее сопротивление.

Часть 1: Причины постепенной деградации литиевых батарей

1.1 Химический износ и старение

Химический износ и старение являются одними из основных факторов деградации литий-ионных аккумуляторов. Со временем химические реакции внутри аккумулятора приводят к образованию слоя твердого электролита (SEI) на аноде. Хотя этот слой изначально стабилизирует аккумулятор, его непрерывный рост потребляет ионы лития, снижая емкость аккумулятора. Кроме того, литий-покрытие — явление, при котором литий осаждается на поверхности анода — может происходить при высоких скоростях зарядки или низких температурах, что еще больше ускоряет деградацию.

Всестороннее исследование, анализирующее более 3 миллиардов точек данных из 228 коммерческих литий-ионных ячеек NMC/C-SiO, подчеркивает влияние этих механизмов. Исследование измеряло снижение емкости и рост импеданса в различных условиях, включая температуру и состояние заряда (SoC). Эти результаты подчеркивают важность оптимизации рабочих стратегий для снижения химического износа и продления срока службы батареи.

1.2 Циклическая деградация от заряда и разряда

Повторные циклы зарядки необходимы для работы литий-ионного аккумулятора, но они также способствуют его постепенной деградации. Каждый цикл включает перемещение ионов лития между анодом и катодом, что вызывает механическое напряжение и структурные изменения в материалах электродов. Со временем это приводит к потере активного материала и запаса лития, что снижает емкость и производительность аккумулятора.

Физические модели сыграли важную роль в понимании этих механизмов деградации. Они предсказывают оставшийся срок службы (RUL) литий-ионных аккумуляторов и оптимизируют условия эксплуатации для минимизации износа. Эти модели также связывают режимы деградации, такие как потеря литиевого запаса (LLI), с их влиянием на производительность аккумулятора.

• Анализ использует физические модели для определения механизмов деградации литиевых батарей.

• Эти модели прогнозируют остаточный срок службы (RUL) и оптимизируют условия эксплуатации.

• Анализ режима деградации (DM) связывает механизмы деградации с их последствиями, уделяя особое внимание таким показателям, как потеря литиевого запаса (LLI) и потеря активного материала в электродах.

1.3 Календарное старение: влияние времени

Даже когда литий-ионные аккумуляторы не используются, они подвергаются календарному старению, которое постепенно снижает их емкость с течением времени. Этот процесс в первую очередь обусловлен ростом слоя SEI и разложением электролитных материалов. На календарное старение влияют такие факторы, как температура, состояние заряда и условия хранения.

Несколько исследований изучали влияние календарного старения на литий-ионные аккумуляторы. Например, Науманн и др. (2020) проанализировали механизмы циклического старения в ячейках LiFePO4/графит, а Шмальстиг и др. (2014) разработали целостную модель старения для аккумуляторов NMC. Эти исследования дают ценную информацию о том, как время влияет на долговечность аккумулятора, и подчеркивают важность правильных методов хранения и обслуживания.

1.4 Факторы окружающей среды: температура, влажность и неправильное хранение литий-ионных аккумуляторов

Условия окружающей среды существенно влияют на производительность и долговечность литий-ионных аккумуляторов. Высокие температуры ускоряют химические реакции внутри аккумулятора, что приводит к более быстрой деградации. Зарядка при температуре выше 45°C может вызвать тепловой разгон — опасное состояние, которое ставит под угрозу безопасность. И наоборот, низкие температуры снижают подвижность ионов лития, увеличивая внутреннее сопротивление и снижая эффективность аккумулятора.

Влажность и неправильное хранение также играют важную роль. Избыточная влажность может вызвать коррозию компонентов аккумулятора, а длительное хранение при высоких уровнях заряда может усугубить календарное старение. Поддержание оптимальных условий хранения, таких как температурный диапазон от 15°C до 25°C и уровень частичного заряда около 50%, может помочь смягчить эти эффекты.

• Литий-ионные аккумуляторы оптимально работают при умеренных температурах, в частности, от 20°C (68°F) до 25°C (77°F).

• Высокие температуры могут привести к ухудшению характеристик аккумулятора, особенно при зарядке при температуре выше 45°C.

• Экстремальные температуры, как высокие, так и низкие, отрицательно влияют на производительность и срок службы аккумулятора.

Часть 2: Индикаторы деградации аккумулятора

2.1 Уменьшение емкости: уменьшение запаса энергии с течением времени

Снижение емкости — один из самых заметных признаков деградации литий-ионного аккумулятора. Со временем способность аккумулятора хранить энергию снижается, что приводит к сокращению времени работы и снижению эффективности. Это происходит из-за потери активных ионов лития и электродного материала, которые необходимы для хранения энергии. Для промышленных приложений, таких как робототехника и медицинские приборы, снижение емкости может нарушить работу и увеличить расходы на техническое обслуживание.

Мониторинг снижения емкости имеет решающее значение для продления срока службы аккумулятора. Регулярное измерение максимальной емкости заряда помогает выявить ранние признаки деградации. Например, литий-ионный аккумулятор, изначально сохранявший 100% своей номинальной емкости, может упасть до 80% после нескольких сотен циклов. Это снижение подчеркивает важность проактивного обслуживания и оптимизированных методов зарядки для замедления потери емкости.

2.2 Повышенное внутреннее сопротивление и его влияние на производительность

Внутреннее сопротивление — еще один важный показатель состояния аккумулятора. По мере старения литий-ионных аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается, что снижает их способность эффективно выдавать энергию. Это может привести к более медленной зарядке, перегреву и проблемам с производительностью, особенно в высокотребовательных приложениях, таких как электромобили или промышленное оборудование.

Высокое внутреннее сопротивление часто является признаком окончания срока службы аккумуляторов, особенно в системах на основе никеля. Однако важно отслеживать изменения сопротивления с течением времени, а не сравнивать различные типы аккумуляторов. Повышенное сопротивление также может создавать температурные градиенты внутри аккумуляторных батарей, ускоряя деградацию и сокращая срок службы аккумулятора. Понимание этой динамики позволяет вам внедрять лучшие стратегии управления температурой и поддерживать постоянную производительность.

2.3 Состояние работоспособности (SOH): ключевые показатели для мониторинга аккумуляторных батарей

Состояние здоровья (SOH) дает всесторонний обзор состояния литий-ионной батареи. Он измеряет способность батареи работать по сравнению с ее исходными характеристиками. Показатели SOH жизненно важны для систем управления батареями (BMS), обеспечивая безопасность и оптимизируя срок службы батареи.

Существует несколько методов оценки SOH:

• Методы прямого измерения, такие как оценка максимальной емкости или внутреннего сопротивления.

• Методы, основанные на моделях, включая электрохимические и эквивалентные модели цепей.

• Методы, основанные на данных, которые анализируют исторические данные об эксплуатации для прогнозирования SOH.

Используя эти методы, вы можете улучшить производительность батареи, продлить срок ее службы и предотвратить неожиданные сбои. Для промышленных приложений точный мониторинг SOH обеспечивает надежность и сокращает время простоя, что делает его незаменимым инструментом для обслуживания литий-ионных аккумуляторных систем.

Часть 3: Эффективные методы предотвращения деградации аккумулятора

3.1 Оптимальные методы зарядки: поддержание уровня заряда 20–80 %

Поддержание уровня заряда от 20% до 80% является одним из наиболее эффективных способов продления срока службы литий-ионных аккумуляторов. Такая практика минимизирует нагрузку на электроды, сохраняя их структурную целостность и уменьшая износ. Работа в этом диапазоне предотвращает экстремальные условия, которые ускоряют деградацию аккумулятора, такие как перезаряд или глубокая разрядка.

• Поддержание уровня заряда в пределах от 20% до 80% снижает нагрузку на аккумулятор.

• Такой подход увеличивает срок службы аккумулятора, исключая условия, вызывающие быстрый износ.

• Он обеспечивает оптимальную производительность, особенно для промышленных применений, таких как робототехника и медицинское оборудование.

Например, в робототехнике, где важна постоянная подача питания, соблюдение этого диапазона зарядки может значительно повысить эксплуатационную эффективность. Внедряя эти практики, вы можете обеспечить лучшее управление состоянием аккумулятора и со временем сократить расходы на обслуживание.

3.2 Управление температурой: избегание экстремально высоких и низких температур

Температура играет решающую роль в производительности и долговечности литий-ионных аккумуляторов. Высокие температуры ускоряют химические реакции, что приводит к более быстрой деградации. Зарядка при температуре выше 45°C увеличивает риск теплового пробоя — опасного состояния, которое ставит под угрозу безопасность. С другой стороны, низкие температуры снижают подвижность литий-ионов, увеличивая внутреннее сопротивление и снижая эффективность.

Исследования подтверждают, что эффективное терморегулирование может замедлить деградацию литий-ионных аккумуляторов. Например:

• Активные методы охлаждения для ячеек-мешочков снижают скорость деградации до трех раз.

• Неравномерное распределение температуры внутри ячеек создает градиенты сопротивления, вызывая локальную деградацию.

Поддержание диапазона температур хранения от 15°C до 25°C обеспечивает оптимальную производительность аккумулятора. Для промышленных аккумуляторных батарей внедрение эффективных систем вентиляции и мониторинг пределов температуры зарядки может дополнительно повысить безопасность и надежность.

3.3 Избегание глубокой разрядки и перезарядки

Глубокие разряды и перезарядка пагубно влияют на состояние литий-ионных аккумуляторов. Переразрядка может вызвать необратимое осаждение меди на электродах, что приведет к снижению производительности. С другой стороны, перезарядка ускоряет износ материала и снижает стабильность цикла.

Чтобы избежать этих проблем:

• Используйте системы управления аккумуляторными батареями (BMS) для контроля уровня заряда и предотвращения перезарядки.

• Избегайте циклов полной разрядки, так как они перегружают аккумулятор и сокращают срок его службы.

Для промышленных приложений, таких как геодезические приборы, поддержание надлежащего уровня заряда обеспечивает постоянную производительность и сокращает время простоя. Эти методы не только продлевают срок службы батареи, но и повышают общую эффективность работы.

3.4 Соблюдение рекомендаций производителя для промышленных аккумуляторных батарей

Соблюдение рекомендаций производителя имеет важное значение для оптимизации хранения, использования и безопасности литий-ионных аккумуляторов. Эти инструкции адаптированы к конкретной химии и конструкции аккумуляторной батареи, обеспечивая соответствие стандартам и правилам безопасности.

Соблюдая эти рекомендации, вы сможете максимально повысить эффективность промышленных аккумуляторных батарей и снизить вероятность сбоев в работе.

3.5 Хранение аккумуляторов при частичном уровне заряда (около 50%)

Правильное хранение литий-ионных аккумуляторов имеет решающее значение для долгосрочного здоровья аккумулятора. Хранение аккумуляторов при частичном уровне заряда, примерно 50%, минимизирует нагрузку на электроды и снижает риск деградации. Исследования Технологического университета Чалмерса показывают, что поддержание состояния заряда 50% (SOC) может продлить срок службы аккумулятора на 44–130%.

Для длительного хранения убедитесь, что батареи находятся в прохладном, сухом месте со стабильной температурой. Избегайте хранения батарей при полном заряде или в экстремальных условиях, так как это ускоряет старение. Безопасные методы хранения батарей особенно важны для промышленного применения, где надежность и долговечность имеют первостепенное значение.

Понимание основных причин деградации аккумулятора имеет решающее значение для поддержания срока службы аккумулятора в промышленных приложениях. Эксплуатационные привычки, факторы окружающей среды и естественное старение с течением времени существенно влияют на производительность.

Проактивный уход, такой как оптимальная зарядка, управление температурой и правильное хранение литий-ионных аккумуляторов, может смягчить эти эффекты. Например:

• Температура существенно влияет на срок службы и производительность аккумулятора.

• Холодные условия снижают емкость и эффективность аккумулятора.

• Высокие температуры могут увеличить риск повреждения и сократить срок службы.

Технологические достижения, включая системы мониторинга в реальном времени, еще больше увеличивают срок службы аккумулятора, предотвращая перегрев и оптимизируя производительность. Применяя эти стратегии, вы можете обеспечить надежную и эффективную работу литий-ионных аккумуляторов в промышленных условиях.

Часто задаваемые вопросы

1. Как можно эффективно контролировать состояние литий-ионных аккумуляторных батарей?

Вы можете использовать системы управления батареями (BMS) для отслеживания таких показателей, как состояние здоровья (SOH), емкость и внутреннее сопротивление. Эти системы обеспечивают безопасность и оптимизируют производительность.

2. Каковы идеальные условия хранения литий-ионных аккумуляторов?

Храните аккумуляторы при температуре 20°C–25°C с уровнем заряда 50%. Избегайте экстремальных температур и высокой влажности, чтобы минимизировать деградацию. Узнайте больше о хранении литий-ионных аккумуляторов .

3. Какой тип литиевых аккумуляторов обеспечивает самый длительный срок службы для промышленного применения?

Литиевые батареи LiFePO4 обеспечивают 2000–5000 циклов, что делает их идеальными для промышленного использования. Их плотность энергии составляет 100–180 Вт·ч/кг, что обеспечивает надежность и долговечность. Изучите решения большой мощности .