В процессе старения литий-ионных аккумуляторов происходит потеря их емкости из-за внутренних химических изменений. Электрохимические модели показывают рост слоя SEIЛитий-ионное покрытие и деградация электродов снижают ёмкость аккумулятора и сокращают срок его службы. Внешние факторы также влияют на производительность и общий срок службы аккумулятора, поэтому управление аккумулятором критически важно для понимания причин потери ёмкости литиевых аккумуляторов.
Основные выводы
Емкость литиевых аккумуляторов снижается в основном из-за внутренних изменений, таких как рост слоя SEI, литиевое покрытие и износ электродов, которые снижают способность аккумулятора удерживать заряд.
Срок службы аккумулятора можно продлить, контролируя температуру, используя правильные методы зарядки и храня аккумуляторы в частично заряженном состоянии в прохладном месте.
Мощная система управления аккумулятором помогает контролировать состояние аккумулятора, предотвращать перезарядку и оптимизирует использование для замедления потери емкости и повышения надежности.
Часть 1: Причины потери емкости литиевых аккумуляторов
Понимание причин потери ёмкости литиевых аккумуляторов крайне важно для оптимизации производительности и продления срока службы критически важных для бизнеса приложений. Снижение ёмкости литий-ионных аккумуляторов происходит из-за сочетания внутренних химических изменений и эксплуатационных нагрузок. Давайте рассмотрим основные механизмы, лежащие в основе этого процесса.
1.1 Литий-ионные аккумуляторы: движение ионов
При использовании литий-ионного аккумулятора ионы лития перемещаются между анодом и катодом во время циклов заряда и разряда. Это движение обеспечивает накопление и высвобождение энергии. Со временем многократное циклирование приводит к постепенным изменениям внутренней структуры аккумулятора. Вы заметите, что по мере увеличения количества циклов аккумулятор начинает терять ёмкость, что приводит к недостаточной ёмкости для вашего устройства.
Статистические исследования подтверждают эту тенденцию:
Анализ коэффициента корреляции Спирмена показывает очень сильную корреляцию (абсолютный SCC > 0.99) между показателями состояния здоровья и емкостью литий-ионного аккумулятора, что подтверждает снижение емкости.
Экспериментальные циклические испытания коммерческих литиевых аккумуляторных элементов NMC при 25 °C демонстрируют явное снижение емкости по мере увеличения количества циклов, в конечном итоге достигая порога отказа (80% от номинальной емкости).
Эти результаты согласуются с прогнозными моделями и реальными наблюдениями, подчеркивая неизбежность снижения емкости литий-ионных аккумуляторов.
1.2 Рост слоя SEI
Слой твердого электролита (SEI) формируется на поверхности анода в течение первых нескольких циклов. По мере эксплуатации аккумулятора этот слой утолщается и развивается. Рост SEI — один из основных факторов, объясняющих потерю емкости литиевых аккумуляторов.
Многомасштабная визуализация и химический анализ показывают, что слой SEI вырастает из тонкой нанометровой пленки в структуру микронного размера, особенно вокруг кремниевых доменов в усовершенствованных анодах.
Этот рост захватывает ионы лития, делая их недоступными для хранения энергии и вызывая потерю емкости.
Элементное картирование показывает повышенное содержание лития, кислорода и фтора в SEI, что указывает на текущие химические изменения, которые ухудшают производительность.
Электрохимическое моделирование показывает, что рост SEI приводит к снижению концентрации ионов лития и снижению скорости литиирования, что напрямую связывает развитие SEI с уменьшением емкости.
Анализ микроструктуры на основе глубокого обучения показывает потерю до 50% объемной доли кремния в активных доменах после 300 циклов, при этом литий задерживается вблизи измененных кремниевых ядер.
Наконечник: Рост SEI можно замедлить, оптимизировав протоколы зарядки и поддерживая умеренные температуры, что помогает устранить недостаточную емкость аккумуляторов в ваших блоках.
1.3 Литиевое покрытие
Литирование происходит при осаждении металлического лития на поверхности анода, особенно при быстрой зарядке или при низких температурах. Этот процесс играет важную роль в потере ёмкости литиевых аккумуляторов.
Литирование вызывает как обратимое, так и необратимое снижение ёмкости. Необратимое покрытие повреждает слой SEI, расходует активный литий и увеличивает внутреннее сопротивление.
Экспериментальные исследования с использованием передовых методов визуализации подтверждают, что металлический литий может стать электрически изолированным, что приведет к постоянной потере активного лития и дальнейшему снижению емкости.
Образование более толстого пористого слоя SEI в результате гальванопокрытия препятствует потоку ионов, что снижает производительность аккумулятора и ускоряет его деградацию.
Накопление продуктов литирования может вызвать внезапную потерю емкости, известную как эффект точки перегиба.
Примечание: Избегайте зарядки на высоких скоростях или при низких температурах, чтобы минимизировать литий-ионное покрытие и продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов.
1.4 Деградация электрода
Деградация электродов — ещё один ключевой фактор, приводящий к потере ёмкости литиевых аккумуляторов. Со временем активные материалы электродов разрушаются, растворяются или теряют контакт с токосъемником.
Количественный анализ использует дисперсию различий в емкости при разных значениях C-скорости для обнаружения точки перегиба в процессе деградации батареи, различая режимы самоограничения и ускорения.
Этот метод позволяет оценить состояние здоровья отдельных клеток и помогает принимать решения об их повторном использовании или переработке.
Аналитические модели прогнозируют и оптимизируют возможности заряда на основе толщины электродов и скорости разряда, предоставляя информацию для проектирования аккумуляторных батарей на уровне ячеек и оптимизации пакета.
Аспект | Описание |
|---|---|
Тип модели | Количественная аналитическая модель, прогнозирующая показатели скорости заряда батареи |
Ключевые переменные | Толщина электрода, скорость разряда |
Заполнитель | Проектирование и оптимизация аккумуляторных батарей на уровне ячеек |
Speediance | Скорость работы зависит от свойств материала электрода |
1.5 Побочные реакции
Побочные реакции внутри элемента также способствуют потере ёмкости литиевых аккумуляторов. К ним относятся разложение электролита, газообразование и растворение переходных металлов на катоде.
В ходе этих реакций расходуется активный литий и электролит, что приводит к недостаточной емкости аккумулятора и повышению внутреннего сопротивления.
Потеря литиевого запаса (LLI), потеря активных материалов (LAM) и потеря электролита (LE) — все это способствует снижению емкости.
Системы управления аккумуляторными батареями (BMS) играют важнейшую роль в мониторинге этих процессов и оптимизации условий работы для замедления деградации аккумуляторных батарей. Узнайте больше о работе и компонентах BMS.
Отраслевая информация: Комплексный обзор в Природа Подчеркивается, что деградация аккумулятора происходит в результате сложных внутренних реакций и зависит от конструкции, условий производства и эксплуатации. Эти факторы следует учитывать на протяжении всего жизненного цикла аккумулятора, от проектирования элемента до использования в качестве вторичного.
Статистические и экологические данные
Влияние условий окружающей среды на причины потери емкости литиевых аккумуляторов можно увидеть в следующей таблице:
Состояние | Скорость деградации (снижение емкости) | Заметки |
|---|---|---|
Комнатная температура (0.5°C) | 0.005% в час | Базовая скорость деградации |
Высокая температура (0.5°C) | 0.07% в час | Скорость разложения в 14 раз выше, чем при комнатной температуре |
Низкая температура (-25°C, скорость 2°C) | Увеличение литийсодержания и рост дендритов | Приводит к снижению емкости и риску внутренних коротких замыканий. |
Низкая температура (температура 0.4°C) | Образование отложений «мертвого лития» | Вызывает необратимую потерю емкости |
Воздействие низких температур (24 часа) | Ухудшение емкости увеличивается на 0% (0.5C), 1.92% (1C), 22.58% (2C) | Деградация ускоряется при более высоких скоростях цикла и более длительном воздействии |
Вам необходимо контролировать температуру, скорость зарядки/разрядки и условия хранения, чтобы свести к минимуму снижение емкости и избежать недостаточной емкости аккумулятора в ваших литий-ионных аккумуляторных батареях.
Часть 2: Факторы, ускоряющие потерю емкости литиевых аккумуляторов
2.1 Температурные эффекты
Для продления срока службы литий-ионного аккумулятора необходимо контролировать температуру. Повышенные температуры ускоряют образование литиевого покрытия и рост слоя SEI, что приводит к быстрому снижению ёмкости. Например, исследования показывают, что при 40 ° C, потери лития значительно возрастают по сравнению с 25°C или 0°C. В таблице ниже суммированы эти последствия:
Температура | Тенденция потери мощности | Ключевой механизм деградации |
|---|---|---|
0 ° C | Замедлять | Незначительный рост SEI |
25 ° C | Средняя | Сбалансированный SEI и покрытие |
40 ° C | Быстрый | Ускоренное посев и рост SEI |
Поддержание температуры аккумулятора ниже 30°C помогает замедлить деградацию и продлить срок его службы.
2.2 Перезарядка и высокое напряжение
Перезарядка или использование высоких напряжений отключения повреждает аккумулятор. Это приводит к увеличению внутреннего сопротивления, снижению плотности энергии и повышению риска литиевого напыления. Экспериментальные данные подтверждают, что перезарядка приводит к резкому повышению температуры и механическим нагрузкам, что может привести к проблемам безопасности. Всегда используйте надежную систему управления аккумулятором (BMS), чтобы предотвратить перезарядку и защитить свои инвестиции.
2.3 Скорость заряда/разряда
Высокие токи зарядки и разрядки ускоряют деградацию. Исследования показывают, что быстрая зарядка, особенно при низких температурах, приводит к осаждению ионов лития в виде металлического лития, что сокращает срок службы аккумулятора. Разрядка высокими токами также увеличивает внутреннее сопротивление и потерю ёмкости. Для максимальной производительности аккумулятора следует оптимизировать протоколы зарядки и избегать резких скачков тока.
2.4 Условия хранения
Правильные условия хранения критически важны для долговечности аккумулятора. Хранение аккумуляторов при высоком уровне заряда или в условиях высокой температуры ускоряет старение. Контролируемые эксперименты показывают, что системы терморегулирования, такие как материалы с фазовым переходом, помогают регулировать температуру и продлевают срок службы аккумулятора. Для достижения наилучших результатов храните аккумуляторы в прохладном, сухом месте в частично заряженном состоянии.
2.5 Глубокая и частичная циклизация
Глубокая цикличность (полная зарядка-полная разрядка) сокращает срок службы аккумулятора. Частичная езда на велосипеде, например, работа при уровне заряда от 25% до 75%, позволяет аккумулятору выдержать больше циклов, прежде чем его ёмкость упадёт ниже 80%. Данные отрасли показывают, что частичная цикличность может почти удвоить срок службы аккумулятора.
2.6 Календарь старения
Даже если ваш литий-ионный аккумулятор не используется, он со временем стареет. Календарное старение происходит из-за химических реакций внутри элемента. Вы можете замедлить этот процесс, храня аккумуляторы при умеренных температурах и частично заряженными.
Для индивидуальных решений по оптимизации срока службы и производительности вашего аккумулятора, проконсультируйтесь с нашими экспертами OEM/ODM.
Вы сталкиваетесь с потерей ёмкости аккумулятора из-за роста SEI, литий-ионного покрытия и деградации электродов, что сокращает срок службы аккумулятора. Календарный процесс старения также снижает ёмкость аккумулятора, как показывают исследования. отслеживание данных коммерческих ячеек за период до 13 лет:
Рёдер и др. (2014) и Шмитт и др. (2017) подтверждают, что календарное старение влияет на срок службы и емкость аккумулятора даже без циклирования.
Более высокая температура и уровень заряда ускоряют потерю емкости аккумулятора и сокращают срок его службы.
Вы можете продлить срок службы аккумулятора, оптимизируя зарядку, контролируя температуру и правильно храня аккумуляторы. Продолжаются исследования, направленные на увеличение ёмкости и срока службы аккумуляторов для критически важных бизнес-приложений.
FAQ
1. Какова основная причина потери емкости аккумуляторных батарей, используемых в батарейных блоках?
Потеря ёмкости в аккумуляторных батареях происходит главным образом из-за роста слоя SEI, литий-ионного покрытия и деградации электродов. Эти процессы снижают доступный литий и ограничивают производительность аккумулятора.
2. Как можно продлить срок службы аккумуляторных батарей в критически важных бизнес-приложениях?
Вам следует оптимизировать протоколы зарядки, контролировать температуру и хранить аккумуляторы в частично заряженном состоянии. Регулярный мониторинг и надежная система управления аккумуляторными батареями (BMS) помогут максимально продлить срок службы аккумуляторов.
3. Почему аккумуляторные батареи в аккумуляторных батареях быстрее выходят из строя в условиях высоких температур?
Высокие температуры ускоряют химические реакции внутри аккумуляторов. Это ускоряет рост SEI и литий-ионного покрытия, что приводит к более быстрой потере ёмкости и снижению надёжности аккумулятора.
Для индивидуальных решений и консультаций экспертов по аккумуляторным батареям обращайтесь Large PowerАвтора команда по настройке.
