Životni vijek predstavlja koliko ciklusa punjenja-pražnjenja baterija prolazi prije nego što padne na neku unaprijed definiranu razinu kapaciteta. Obično je to 80%, iako sam posvuda vidio specifikacije - 70% za neke automobilske primjene, 85% za druge. Sam prag je na neki način proizvoljan i ima više veze s izračunima jamstva nego s bilo kojim temeljnim svojstvom kemije baterije.
Zašto baterije propadaju
SEI sloj na grafitnim anodama vjerojatno je najviše proučavan mehanizam razgradnje u litij-ionskim baterijama. Kada prvi put punite ćeliju, elektrolit se razgrađuje na površini anode i stvara ovaj čvrsti film-uglavnom litij karbonat, nešto litij fluorida ako koristite sol LiPF6, razne organske vrste. Ovaj bi se sloj trebao stabilizirati nakon nekoliko ciklusa. Ne čini se. Nastavlja rasti, polako, jedući litij koji bi trebao kružiti. Radio sam na projektu prije nekoliko godina pokušavajući stabilizirati SEI s dodacima elektrolita. FEC (fluoroetilen karbonat) pomaže, VC (vinilen karbonat) pomaže više. Ni jedan ga ne rješava u potpunosti.
Katode s visokim -niklom pucaju. NMC811, koji se sastoji od 80% nikla, 10% mangana, 10% kobalta, prolazi kroz velike promjene volumena tijekom ciklusa-mnogo više od starijih sastava NMC111 ili NMC523. Čestice se doslovno raspadaju. Možete ga vidjeti pod SEM-om nakon nekoliko stotina ciklusa. CATL je oko 2019. shvatio da ako sintetizirate pojedinačne-kristalne čestice umjesto polikristalnih agregata koje su svi radili, eliminirate većinu pucanja jer nema granica zrna. Sada zvuči očito, ali dobivanje pravih parametara sinteze u mjerilu trajalo je godinama. Mislim da BYD radi nešto slično sa svojom Blade baterijom, ali ne objavljuju puno o svojoj obradi katoda.
Temperatura je važnija od svega drugog, iskreno. Za svakih 10 stupnjeva povećanja otprilike udvostručujete brzinu starenja. Ovo nije točno-različiti mehanizmi imaju različite energije aktivacije-ali dovoljno je blizu za inženjerske procjene. Pakiranje koje radi na prosječnoj temperaturi od 35 stupnjeva trajat će puno dulje od onog na 45 stupnjeva. Tesla je to rano naučio s Roadsterom. Njihovi noviji automobili imaju prilično agresivno upravljanje toplinom, radit će hlađenje čak i kad su parkirani ako se paket previše zagrije.
Hladnoća je čudna. Kemija razgradnje se usporava, što je dobro. Ali dobivate puno veći otpor i ako pokušate puniti prebrzo, na anodu ćete staviti litij, što je jako loše. Naslage litija predstavljaju nepovratan gubitak kapaciteta i ako prerastu u dendrite, možete dobiti unutarnji kratki spoj. Većina električnih vozila vam iz tog razloga ne dopušta brzo punjenje istosmjernom strujom ispod 0 stupnjeva.
Dubina pražnjenja
Postoji dobro-poznati učinak gdje plitko cikliranje produljuje život. Ako koristite samo 40% kapaciteta baterije umjesto 100%, mogli biste utrostručiti vijek trajanja. Možda i više. Mehanizmi nisu sasvim jasni. Manje promjene volumena u elektrodama vjerojatno pomažu. Izbjegavanje ekstremnih potencijala elektroda gdje se nuspojave ubrzavaju svakako pomaže. Ali nitko nije točno odredio točan doprinos svakog faktora.
Svaki EV skriva neki kapacitet od vas. Kada vaša nadzorna ploča kaže 0%, vjerojatno ste na 5% stvarnog SOC-a. Kad piše 100%, vi ste na 95% ili možda 90%. Proizvođači ne objavljuju te brojke. Pokušao sam obrnuti-inženjering na svom starom Boltu gledajući BMS podatke preko CAN sabirnice, ali kalibracijske tablice su šifrirane.
Problemi s vremenskom linijom testiranja
Nitko ne želi čekati 3-4 godine da potvrdi dizajn baterije. Stoga provodimo ubrzana testiranja - više temperature, brže brzine ciklusa. Problem je u tome što se svi mehanizmi razgradnje ne ubrzavaju na isti način. Neki da, neki ne. Ubrzanje temperature radi prilično dobro za većinu kemijskih procesa. Brzina ubrzanja je nejasna. A postoje i načini kvarova koji se pojavljuju tek nakon produljenog kalendarskog vremena koje jednostavno ne možete uopće ubrzati.
Nedavna ML predviđanja su zanimljiva. Podatke iz ranog ciklusa unosite u model i on predviđa dugo{1}}opadanje kapaciteta. Stanford je objavio neke radove o tome 2019., Carnegie Mellon napravio je slične stvari. Djeluje iznenađujuće dobro na stanice na kojima su trenirali. Generalizacija je problem. Promijenite sastav katode ili formulaciju elektrolita i morat ćete se ponovno obučiti s novim podacima, što na neki način gubi svrhu ako pokušavate predvidjeti životni vijek novog dizajna.
Različite kemije
LFP ima bolji vijek trajanja od NMC-a, točka. Lako možete dobiti 3000-5000 ciklusa, ponekad i više. Kazna gustoće energije je brutalna iako-se odričete 30-40% u usporedbi s NMC-om s visokim udjelom nikla. Kineski proizvođači odlučili su da ovaj kompromis ima smisla za jeftinija električna vozila gdje ljudima nije potreban domet od 300+ milja. BYD, CATL, svi tamo rade LFP za standardna vozila. Zapadni OEM-ovi ga sporije usvajaju. Kulturalna razlika ili tržišna razlika ili oboje, nisam siguran.
Natrijev-ion bi trebao imati sličan životni ciklus kao LFP na temelju onoga što CATL i Natron tvrde, ali u proizvodnji je tek otprilike godinu dana pa tko zna što će se dogoditi nakon 5+ godina na terenu.
Solid{0}}state i dalje obećava bolji radni vijek jer nedostatak tekućeg elektrolita znači stabilnija sučelja. Ali i dalje nisu komercijalno dostupni. QuantumScape postoji "dvije godine" već oko šest godina. Otpor sučelja, gubitak kontakta tijekom ciklusa, litijski dendriti u nekim dizajnima-ovi problemi su teži nego što je itko mislio. Možda će sulfidni elektroliti raditi bolje od oksida. Podaci koji dolaze iz Japana sugeriraju možda.
Starenje kalendara
Ovo se često zanemaruje, ali je ogromno za vozila koja se ne voze puno. Baterija vam se smanjuje samo dok sjedite tamo. Važni su i temperatura skladištenja i SOC. Najgori slučaj je 100% napunjenost na visokoj temperaturi-izgubit ćete više postotnih bodova godišnje ne radeći ništa. 40% SOC na sobnoj temperaturi optimalno je skladištenje, ali očito nije praktično za automobil koji zapravo koristite.
Grid skladištenje je potpuno drugačija životinja. Trebate 20+ godina životnog vijeka što znači 7000+ ciklusa najmanje, vjerojatno 10,000+ ako radite više ciklusa dnevno. Ali možete tolerirati manju gustoću energije i imate više prostora za upravljanje toplinom. Ekonomija funkcionira drugačije-CAPEX je važniji u odnosu na OPEX kada amortizirate desetljećima.
Ne znam dovoljno o novim vrstama baterija da bih rekao mnogo korisnih. Litij-sumpor još uvijek ima užasan ciklus ciklusa zbog polisulfidnog šatla, iako neke tvrtke tvrde da su to riješile. Litij-metalne anode uparene s čvrstim elektrolitima mogle bi biti put naprijed, ali problem dendrita nije nestao. Čak i ako materijali funkcioniraju, povećanje proizvodnje bilo čega novog traje najmanje 5-10 godina. Dakle, što god slijedi, zaglavili smo s litij-ionskim varijacijama barem još jedno desetljeće.
Ne znam dovoljno o novim vrstama baterija da bih rekao mnogo korisnih. Litij-sumpor još uvijek ima užasan ciklus ciklusa zbog polisulfidnog šatla, iako neke tvrtke tvrde da su to riješile. Litij-metalne anode uparene s čvrstim elektrolitima mogle bi biti put naprijed, ali problem dendrita nije nestao. Čak i ako materijali funkcioniraju, povećanje proizvodnje bilo čega novog traje najmanje 5-10 godina. Dakle, što god slijedi, zaglavili smo s litij-ionskim varijacijama barem još jedno desetljeće.
Litij polimer baterijenalaze se negdje između-bolje fleksibilnosti pakiranja od cilindričnih ćelija, životnog ciklusa usporedivog sa standardnim litij-ionskim ako održavate razumne temperature. Pristojna opcija za ograničene prostore, ali ništa revolucionarno.
