Срок службы аккумулятора зависит от различных факторов, поэтому для точной оценки продолжительности службы устройства недостаточно только подсчета циклов или регистрации возраста.
Несмотря на большое разнообразие аккумуляторов, каждый тип элемента и подвид устройства деградируют индивидуально. На деградацию влияют условия эксплуатации и некоторые другие факторы. Одни элементы хорошо работают при низких температурах, другие - при высоких токах. Однако такая специализация имеет свою цену.
Старение аккумулятора зависит либо от времени (календарного старения), либо от условий эксплуатации, при этом зарядка и разрядка представляют собой "циклическое" старение.
Обе формы старения способствуют снижению емкости и эффективности, а также увеличивают внутреннее сопротивление, так как ионы "застревают" в нежелательных побочных реакциях. Эти реакции происходят под воздействием различных факторов. Как правило, ионы взаимодействуют с другими материалами, образуя пассивные остатки, что препятствует передаче энергии.
К общим факторам, воздействие которых зависит от типа элемента, относятся температура элементов, состояние заряда (SOC) и сила тока, используемая при зарядке и разрядке. Что касается состояния заряда (количества заряда или энергии), SOC в режиме ожидания имеет значение, когда устройство не используется, а окно SOC (диапазон, в котором происходит циклизация) имеет значение, когда оно работает в циклическом режиме.
Механические нагрузки, такие как вибрация и давление, являются еще одним фактором, влияющим на деградацию аккумулятора, но сосредоточимся на трех вышеперечисленных факторах.
Температура
Температура играет ключевую роль в сроке службы аккумуляторов. Большинство химических элементов хорошо сохраняется при температуре ниже 20 C, это замедляет календарное старение и снижает вероятность побочных реакций. Простой при более высоких температурах значительно увеличивает скорость деградации. И наоборот, большинство аккумуляторных технологий очень чувствительны к работе при низких температурах. Температура от 30 до 40 °C также не оптимальна. Для большинства химических элементов идеальной температурой является 15-25 С.
Новые никель-марганец-кобальтовые (NMC) батареи очень чувствительны чувствительны к зарядке при низкой температуре, поэтому при зарядке при температуре ниже 10 C могут возникнуть опасные дефекты. На графике слева, где показаны три высококачественных элемента NMC одного типа, скорость деградации немного улучшается при снижении рабочей температуры на 10 C, с 25 C (оранжевая линия) до 15 C (фиолетовая линия). Однако снижение температуры на 10 C (синяя линия) приведет к немедленному разрушению батареи.
Литиевое осаждение
Литий-ионные (литий-ионные) аккумуляторы в целом безопасны, но при определенных условиях - при низких температурах, высоком токе или при уже хорошо заполненном электроде - в них происходит литиевое осаждение. Приведенный пример демонстрирует влияние гальванического покрытия при низкой температуре. Осаждение - это остаточные процессы, возникающие при образовании ионами лития металлических отложений внутри элементов. Со временем отложения накапливаются, что в конечном итоге может привести к внутреннему короткому замыканию, которое может спровоцировать возгорание - быстрое и опасное выделение тепла и газов.
Важно отметить, что условия, способствующие образованию металлических отложений, лишь частично контролируются системой управления аккумулятором (BMS), поэтому операторы должны контролировать и регулярно обслуживать свои устройства.
SOC (Состояние заряда)
Состояние заряда оказывает существенное влияние на срок службы аккумулятора. Имеет значение как SOC в режиме простоя (календарное старение), так и диапазон SOC во время работы (циклическое старение). В следующем примере показаны два идентичных элемента NMC.
На приведенном ниже графике показана динамика деградации двух практически идентичных случаев использования высококачественных элементов NMC.
Оба они используют только около 50% заряда батареи, причем первый (синяя линия) работает в верхней половине SOC, начиная с полного заряда и снижаясь до 50%, после чего снова полностью заряжается. Второй вариант использования (оранжевая линия) начинается с 50% заряда и заканчивается практически полным разрядом. Как видно из графиков, влияние на деградацию невероятно: оранжевая батарея проживет в два-три раза дольше, чем синяя, что позволит снизить общую стоимость более чем в два раза.
Однако следует подчеркнуть, что это пример конкретного типа элементов, а другие устройства могут работать совершенно иначе. Как правило, если SOC не превышает 90% и не опускается ниже 10%, это продлевает срок службы устройства, но бывают и исключения.
Уровни стресса
Оценка стресса может быть сложной даже для экспертов, на нее могут влиять изменения температуры, диапазоны SOC и профиль C-rate - скорости разряда устройства относительно максимальной емкости. Такие факторы сложным образом взаимодействуют с матрицей восприимчивости типов ячеек. Уровень стресса - это единичное число, определяющее степень стрессогенности профиля использования батареи по сравнению с эталонным случаем.
Уровень стресса 1,0 означает, что использование примерно соответствует запланированному; а 2,0 - что устройство будет разряжаться в два раза быстрее, чем ожидалось. Такие инструменты, как диагностика батарей, автоматически анализируют уровень стресса, помогая оценить риски и оптимизировать профили использования.
BMS (Системы управления батареей)
Продолжаются споры о том, должны ли BMS контролировать факторы, влияющие на работоспособности батареи. BMS могут предотвратить особо вредное и опасное использование, но, как правило, не дают рекомендаций по оптимизации уровня нагрузки.
Батареи будущего
Глобальный тренд на увеличение плотности энергии аккумуляторов для достижения длительности их работы часто достигается за счет сокращения срока службы устройства. В последние годы срок службы батарей и запас безопасности в среднем уменьшились. Это означает, что при эксплуатации наиболее дорогостоящего деградирующего компонента энергетического перехода необходимо соблюдать особую осторожность. Восприимчивость всех типов литий-ионных элементов к факторам воздействия должна заставить обратить внимание на неиспользованный потенциал оптимизации во многих случаях использования батарей.
Важность мониторинга
Учитывая сложность стресс-факторов и вариантов использования аккумулятора, о которых говорилось выше, только подсчет циклов или регистрация возраста не дает четкого представления о деградации устройства. Очевидно, что необходим регулярный контроль емкости и состояния аккумулятора, а небольшие корректировки профилей использования могут значительно снизить нагрузку и продлить срок эксплуатации на 10%-50% и более.