Литий-ионные аккумуляторы на самом деле не «генерируют» энергию в том смысле, в котором об этом думает большинство людей. Они накапливают электрическую энергию посредством обратимых электрохимических реакций, а затем высвобождают ее, когда внешняя цепь требует тока. Путаница по этому поводу часто возникает на совещаниях по проектированию, особенно когда кто-то впервые пытается определить размер аккумуляторной батареи.
Во время выписки происходят две вещи. Сначала ионы лития мигрируют от отрицательного электрода (анода) через электролит и сепаратор к положительному электроду (катоду). Во-вторых, электроны движутся по внешней цепи от анода к катоду, совершая полезную работу. Во время зарядки вы обращаете процесс вспять, применяя внешнее напряжение, которое заставляет ионы и электроны двигаться в противоположном направлении.
Напряжение, которое производит элемент, полностью зависит от материалов электродов, которые вы выбираете, и их соответствующих электрохимических потенциалов. Свежий аккумулятор, стоящий на полке без нагрузки, покажет свое -напряжение разомкнутой цепи-обычно от 3,6 до 3,7 В для большинства литий-ионных аккумуляторов, хотя это число меняется в зависимости от состояния заряда и температуры. Как только вы подключаете нагрузку и начинаете потреблять ток, напряжение падает из-за внутреннего сопротивления. То, насколько оно падает, многое говорит о здоровье клетки.
Основы клеточной химии
Все литий-ионные элементы имеют один и тот же основной принцип работы, но их химический состав сильно различается. Материал катода во многом определяет рабочие характеристики элемента-плотность энергии, мощность, срок службы, термическую стабильность и стоимость.
Слоистые оксидные катоды были первыми коммерческими химическими изделиями. Sony представила их еще в 1991 году с LiCoO₂ (оксид лития-кобальта), который до сих пор используется в бытовой электронике, где плотность энергии имеет большее значение, чем стоимость или запас прочности. Эти клетки упаковывают примерно 150-200 Втч/кг на клеточном уровне. Однако кобальт дорогой, и химический состав становится нестабильным при температуре выше 150 градусов. Мы наблюдали начало температурного неконтроля при температуре до 130 градусов в подвергшихся насилию клетках.
Стремление к повышению безопасности и снижению стоимости привело к созданию LiMn₂O₄ (оксид лития-марганца) в середине-1990-х годов. Марганец очень дешев, а структура шпинели по своей природе более стабильна. Обычно эти клетки не убегут, пока вы не превысите 250 градусов. Компромисс? Плотность энергии падает до 100–120 Втч/кг, а марганец со временем растворяется в электролите, особенно при повышенных температурах. Срок службы циклов страдает - вы ожидаете, возможно, 300-700 циклов, прежде чем емкость упадет ниже 80%.
LiFePO₄ (литий-железо-фосфат) появился примерно в 2001 году и изменил разговоры о безопасности. Структура оливина термически -твердая; Термический разгон не происходит до тех пор, пока температура не превысит 270 градусов, и даже тогда он менее сильный. Срок службы выдающийся: 2,000+ цикла до 80 % емкости являются стандартными, а некоторые элементы были протестированы после 5000 циклов. Недостатком является напряжение: номинал всего 3,2 В, а плотность энергии ограничена 90-120 Втч/кг. Кроме того, ситуация с патентами на фосфаты в течение многих лет была сложной.
NMC (оксид лития, никеля, марганца, кобальта) и NCA (оксид лития, никеля, кобальта и алюминия) появились как «сбалансированные» химические соединения. Смешивая никель, марганец и кобальт в различных соотношениях-обычными являются NMC 111, 532, 622 и 811, где цифры указывают относительное содержание металлов-, вы можете настроить производительность. Более высокое содержание никеля увеличивает плотность энергии до 200-250 Втч/кг, но за счет термической стабильности и срока службы. Элементы NMC 811 могут достигать 250 Втч/кг, но требуют гораздо более тщательного управления температурой.
Что касается анода, то с самого начала стандартом был графит. Теоретическая емкость составляет 372 мАч/г, а коммерческие элементы обычно достигают 340–360 мАч/г. Литий интеркалирует между слоями графена во время зарядки, увеличивая объем графита примерно на 10%. Это механическое напряжение способствует снижению производительности при циклическом использовании.
Кремниевые аноды стали «следующим большим достижением» вот уже около пятнадцати лет. Теоретическая емкость кремния составляет 4200 мАч/г-более чем в десять раз больше, чем у графита. Проблема в том, что кремний расширяется на 300%, когда поглощает литий. Это разрушает анод после нескольких циклов. В современных подходах используются смеси кремния-графита с содержанием кремния, как правило, ниже 10 %, чтобы обеспечить управляемость расширения. Несмотря на это, необратимая потеря емкости в первом-цикле составляет 15-25 % для кремнийсодержащих анодов по сравнению с 5–10 % для чистого графита.
Конструкция и форматы ячеек
Цилиндрические элементы, вероятно, представляют собой то, что большинство людей представляет себе, когда думают «батарея». Формат 18650 (диаметр 18 мм, длина 65 мм) стал повсеместным после того, как производители ноутбуков стандартизировали его в начале 2000-х годов. Тесла, как известно, использовал тысячи таких автомобилей в оригинальном родстере. Типичная емкость 18650 составляет 2000–3500 мАч в зависимости от химического состава и того, оптимизируете ли вы энергопотребление или мощность.
Новый формат 21700 (21 мм × 70 мм), который Tesla и Panasonic разработали совместно, предлагает примерно на 50% больше энергии на ячейку — 4000–5000 мАч, что сейчас является обычным явлением. Больший диаметр увеличивает соотношение активного материала и неактивных компонентов (токоприемников, банок, предохранительных устройств), улучшая плотность энергии на уровне упаковки. Производственные линии пришлось переоборудовать, поэтому внедрение заняло некоторое время.
Призматические элементы возникли в результате стремления автомобильной промышленности к более эффективному использованию пространства. Вместо того, чтобы заполнять коробку цилиндрами и оставлять все это пустое пространство, вы создаете прямоугольные ячейки, которые эффективно складываются. Призматические аккумуляторы автомобильного-класса имеют емкость от 20 до более 100 Ач. Их легче термически-управлять с точки зрения упаковки, поскольку охлаждающие пластины можно поставить прямо напротив плоских сторон. Обратной стороной является то, что все яйца хранятся в меньшем количестве корзин.-Если выйдет из строя одна большая призматическая ячейка, вы потеряете больше емкости, чем в случае выхода из строя одной маленькой цилиндрической ячейки.
Пакетные элементы развивают идею экономии пространства, полностью исключая металлическую банку. Ячейка запечатана в гибкий алюминиевый-пакет из ламината. Это экономит около 10-15 % веса по сравнению с призматическими банками, а формат чрезвычайно гибок: вы можете сделать их любого размера и формы, которые требуются для конкретного применения. Производителям электромобилей они нравятся, потому что их можно складывать прямо в охлаждающие пластины. Слабость механическая: им необходимо внешнее сжатие, чтобы предотвратить расслоение электродов во время езды на велосипеде, и они более уязвимы к повреждениям от проколов.
Сепараторная технология
Сепаратору не уделяется много внимания, но он, возможно, является наиболее важным компонентом безопасности. Это тонкая (обычно 16-25 мкм) пористая мембрана, которая предотвращает соприкосновение анода и катода, но позволяет ионам лития проходить сквозь нее. Ранние сепараторы представляли собой однослойный полиэтилен (ПЭ) или полипропилен (ПП).
В современных высокоэффективных-сепараторах используются трехслойные конструкции, обычно из ПП/ПЭ/ПП. Слой полиэтилена имеет более низкую температуру плавления (135 градусов), чем слой полипропилена (165 градусов). Если ячейка начинает перегреваться, полиэтилен плавится и заполняет поры, прекращая транспорт ионов до того, как температура достигнет опасного уровня. Это называется тепловым отключением, и это ваша последняя линия защиты перед тепловым выходом из-под контроля.
Сепараторы с керамическим-покрытием добавляют еще один запас прочности. Тонкое (2-4 мкм) покрытие из оксида алюминия или других керамических частиц на одной или обеих сторонах сепаратора сохраняет структурную целостность, даже если полимер плавится. Покрытие достаточно пористое, чтобы обеспечить перенос ионов, но предотвращает короткое замыкание-электрода даже при температуре выше 150 градусов. Обратной стороной является стоимость сепараторов с -керамическим-покрытием, которая в 2–3 раза дороже стандартных сепараторов, а также немного более высокий импеданс.
Пористость обычно составляет 40-50%. Слишком низкий уровень ионного сопротивления возрастает, ограничивая мощность. Слишком высокая – страдает механическая прочность. Распределение пор по размерам также имеет значение; число Герли (тест на воздухопроницаемость) является стандартной характеристикой. Большинство сепараторов класса EV рассчитаны на 200–400 секунд/100 куб.см.
Электролитный состав и добавки
Электролит в литий-ионном аккумуляторе сложнее, чем вы думаете. Базовый состав обычно представляет собой литиевую соль-LiPF₆ (гексафторфосфат лития) в более чем 95% клеток,-растворенную в смеси органических карбонатов. Общие растворители включают этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC), диэтилкарбонат (DEC) и этилметилкарбонат (EMC).
Концентрация LiPF₆ обычно составляет от 1,0 до 1,2 М (молярная). Более высокая концентрация до некоторой степени улучшает ионную проводимость, но при концентрации выше 1,3 М или около того вы начинаете выпадать в осадок соли при низких температурах. У LiPF₆ есть проблемы:-он чувствителен к влаге-и начинает разлагаться при температуре выше 60 градусов, -но альтернативы, такие как LiBOB или LiFSI, еще не вытеснили его из-за стоимости или других компромиссов.
Смесь карбонатных растворителей адаптируется к конкретному применению. EC имеет высокую диэлектрическую проницаемость и хорошие SEI-формирующие свойства, но он замерзает при 36 градусах. Вам необходимо смешать его с карбонатами с более низкой-вязкостью, такими как DMC или EMC, чтобы сохранить эффективность при низких-температурах. Типичный состав может быть EC:DMC 1:1 по объему или EC:EMC 3:7. Точные соотношения являются собственностью компании и тщательно охраняются.
Присадки – это то, где происходит настоящее химическое волшебство. Современные электролиты содержат 2-5% по массе различных добавок, которые модифицируют образование SEI, предотвращают перезаряд, подавляют газообразование или улучшают высоко-температурную стабильность. Виниленкарбонат (VC) в концентрации 1-2% практически универсален для улучшения качества SEI на графитовых анодах. Фторэтиленкарбонат (ФЭК) лучше подходит для кремнийсодержащих анодов. Эти соединения преимущественно восстанавливаются во время начальных циклов зарядки, образуя на аноде защитный слой, который является ионно-проводящим, но электронно изолирующим.
Присадки для защиты от перезаряда, такие как бифенил или циклогексилбензол, начинают полимеризоваться при напряжении около 4,5 В, создавая внутренний шунт, который предотвращает дальнейшее повышение напряжения. Это дает вам некоторую защиту в случае сбоя BMS, хотя полагаться на нее, очевидно, не рекомендуется.
Формирование границы раздела твердых электролитов
SEI, вероятно, является наименее понятным, но наиболее важным аспектом работы литий-ионного аккумулятора. В течение первых нескольких циклов зарядки компоненты электролита реагируют с поверхностью анода, образуя пассивирующий слой. Этот слой имеет решающее значение: он должен быть ионно-проводящим (чтобы пропускать ионы лития), но электроизолирующим (чтобы предотвратить дальнейшее разложение электролита). Состав SEI представляет собой мешанину-десятков солей лития, органических соединений и полимеров, смешанных вместе в слое толщиной 10–100 нм.
Хорошее формирование SEI – это разница между клеткой, которая циклируется 500 раз, и той, которая циклируется 3000 раз. Проблема в том, что SEI не статичен. Он трескается при изменении объема анода, обнажая свежую поверхность, которая потребляет больше электролита и лития для устранения повреждения. Вот почему емкость снижается при езде на велосипеде, даже если вы бережно относитесь к клетке.
Циклическое формование является важным этапом производства. Элементы подвергаются одному или нескольким циклам медленной зарядки-разрядки при контролируемых температурах для установления начального SEI. Протоколы формирования являются запатентованными, но типичная скорость зарядки первого-цикла составляет от C/20 до C/10, и этот процесс может занять 24–48 часов. Производители оптимизируют пределы пластового напряжения, температуру, периоды отдыха и схемы циклирования для обеспечения максимально стабильного SEI. Ошибка будет стоить вам жизненного цикла.
Устаревание календаря-потеря емкости, даже когда ячейка просто простаивает-во многом также является явлением SEI. SEI продолжает медленно расти в разомкнутой цепи, потребляя пригодный для переработки литий. Хранение при высоком уровне заряда и высокой температуре ускоряет этот процесс. Ячейка, хранящаяся при 100% SOC и температуре 60 градусов, может потерять 20% емкости за год, в то время как та же ячейка при 50% SOC и 25 градусах может потерять 3%.
Протоколы зарядки и управление батареями
Литий-ионные элементы чувствительны к перезарядке, чрезмерной-разрядке и зарядке при неподходящих температурах. Вот почему каждому многоэлементному аккумуляторному блоку требуется BMS (система управления аккумулятором).
Стандартный метод зарядки — постоянный ток/постоянное напряжение (CC-CV). Во время фазы CC вы пропускаете ток в ячейку с фиксированной скоростью,-обычно от 0,5C до 1C для большинства ячеек, хотя некоторые мощные-ячейки могут выдерживать 3C и более. Напряжение возрастает по мере зарядки элемента. Когда напряжение достигает верхнего предела (4,2 В для большинства химических соединений, 3,65 В для LFP, 4,3 В или 4,35 В для некоторых высокоэнергетических вариантов NMC), вы переключаетесь в режим CV. Ток уменьшается по мере того, как элемент приближается к полной зарядке, обычно отключаясь, когда ток падает ниже C/20 или C/50.
Быстрая зарядка сложнее. Более высокие скорости заряда ускоряют осаждение лития на аноде, что опасно.-Металлический литий обладает высокой реакционной способностью и может привести к внутреннему замыканию или образованию дендритов, проникающих через сепаратор. Для безопасной быстрой-зарядки необходимо понимать, как напряжение, ток и температура взаимодействуют с условиями начала литиевого покрытия.
Проблема в том, что вы не можете измерить литиевое покрытие непосредственно в запечатанном элементе. Вы должны сделать вывод об этом из других сигналов. Один из подходов заключается в отслеживании анодного потенциала в зависимости от эталонного металлического лития. Если потенциал анода падает ниже 0 В по сравнению с Li/Li⁺, происходит гальваническое покрытие. Проблема в том, что большинство коммерческих ячеек не имеют электродов сравнения.
Повышение температуры во время быстрой зарядки также имеет значение. При зарядке элемента при температуре 2°C его внутренняя температура может подняться на 15-20 градусов выше температуры окружающей среды даже при активном охлаждении. При низких температурах это действительно полезно.-Холодный элемент (скажем, -10 градусов) имеет очень низкую энергоемкость, но если вы можете нагреть его, заряжая при умеренной скорости (0,5 C), производительность улучшится. Некоторые электромобили на самом деле делают это специально: в холодную погоду они запускают короткий сильноточный импульс зарядки, чтобы нагреть аккумулятор, прежде чем водителю потребуется высокая мощность для ускорения.
Балансировка ячеек необходима, поскольку ячейки, расположенные последовательно, никогда не остаются идеально совмещенными. Производственные допуски, небольшие различия в скорости саморазряда-и температурные градиенты в аккумуляторе приводят к дрейфу напряжения. Если вы заряжаете последовательную цепочку без балансировки, некоторые элементы достигают верхнего предела напряжения раньше других. Сильные элементы недозаряжены, слабые перегружены, и производительность снижается.
Пассивная балансировка использует резисторы для отвода энергии от элементов с более высоким-напряжением. Это просто и дешево, но энергия тратится в виде тепла. Активная балансировка использует преобразователи постоянного тока-постоянного тока или конденсаторы для передачи энергии от верхних ячеек к нижним. Более эффективный, более сложный, более дорогой. Для электромобиля на 400 В пассивная балансировка может постоянно тратить 50–100 Вт, что незначительно по сравнению с движущей силой, но со временем увеличивается.
Рекомендации по управлению температурным режимом
Выделение тепла в литий-ионном элементе происходит из трех источников: необратимого тепла (джоулева тепла от внутреннего сопротивления), обратимого тепла (изменения энтропии электрохимической реакции) и тепла от побочных реакций. При низких и умеренных скоростях C- преобладает обратимое тепло. При высоких скоростях C- вступает в силу необратимое тепло.
Обратимый тепловой член интересен тем, что он меняет знак в зависимости от SOC. Для большинства литий-ионных химических соединений зарядка генерирует тепло при низком SOC, но поглощает тепло при высоком SOC. Разрядка делает обратное. Точка пересечения обычно составляет около 50-60% SOC. Вот почему вы можете увидеть, как температура элемента фактически падает на заключительной фазе зарядки, если ток достаточно низкий.
Внутреннее сопротивление меняется в зависимости от температуры, SOC и старения. При 25 градусах новый элемент 18650 может иметь сопротивление постоянного тока 40-60 миллиом. При -20 градусах оно может подскочить до 200-300 миллиом. Вот почему запас хода электромобиля в холодную погоду так резко падает. Мало того, что химический процесс замедляется при низких температурах, но и увеличение внутреннего сопротивления означает, что большая часть энергии батареи тратится впустую в виде тепла внутри элемента.
Порог теплового убегания зависит от химического состава. Для ячеек NMC экзотермические реакции разложения начинаются примерно при 180-220 градусах. После запуска температура может повышаться на 10-50 градусов в секунду, достигая 800 градусов и выше. LFP намного безопаснее; Начало термического разгона составляет 270 градусов +, а максимальная достигнутая температура ниже.
Реальную опасность представляет распространение между клетками в стае. Если одна ячейка выходит из-под контроля, она нагревает соседей. Убегут ли соседние ячейки, зависит от возможности охлаждения, расстояния между ячейками и изоляции. Тестирование распространения сигнала UL 9540A имитирует это, заставляя одну ячейку выйти из-под контроля и отслеживая, следуют ли за ней соседние ячейки. Хороший дизайн упаковки содержит отказ одной ячейки или, самое большее, небольшого модуля.
Стратегии охлаждения различаются. Воздушное охлаждение — это самый простой способ-обдувать элементы или упаковку воздухом. Хорошо работает для приложений с низкой плотностью мощности, таких как PHEV или системы хранения энергии. Жидкостное охлаждение необходимо для высокопроизводительных электромобилей-. В большинстве конструкций используется водно-гликолевая смесь в соотношении 50:50 со скоростью 10–25 литров в минуту через охлаждающие пластины или охлаждающие каналы. Температура на входе обычно контролируется на уровне 20-35 градусов. Градиенты температуры аккумуляторной батареи должны оставаться в пределах от 5 до 5 градусов, чтобы избежать ускоренного старения самых горячих элементов.
В некоторых экспериментальных проектах используется охлаждение хладагентом, охлаждение погружением в диэлектрическую жидкость или материалы с фазовым-переходом. Охлаждение хладагентом может отводить больше тепла, но требует более сложной системы кондиционирования. Иммерсионное охлаждение имеет превосходные коэффициенты теплопередачи (500–2000 Вт/м²К по сравнению с 50–150 Вт/м²К для непрямого жидкостного охлаждения), однако герметизация и совместимость жидкостей вызывают проблемы. PCM работают пассивно, но со временем им приходится отводить накопленное тепло, поэтому они в основном помогают с временным охлаждением во время быстрой зарядки или резкого ускорения.
Снижение производительности и режимы сбоев
Снижение емкости и рост импеданса являются двумя основными механизмами деградации. Они вызваны несколькими различными физическими и химическими процессами, происходящими одновременно.
На анодной стороне рост SEI потребляет пригодные к циклированию литий и электролит, увеличивая сопротивление. Отслаивание графита может произойти, если элемент заряжается при низких температурах-литиевые пластины на поверхности графита вместо интеркалирования, и когда оно в конечном итоге интеркалируется, оно разрушает структуру графита. Зачастую это необратимо. Разложение связующего при повышенных температурах приводит к потере электрического контакта между частицами.
Деградация катода включает растворение переходных металлов (особенно марганца в LMO или марганец-содержащих NMC), структурные изменения в результате многократного внедрения/экстракции лития и реконструкцию поверхности в катодах с высоким-никелем. Растворенные переходные металлы мигрируют к аноду, где они катализируют рост SEI, поэтому деградация катода косвенно ускоряет деградацию анода.
Разложение электролита и образование газа представляют собой более серьезные проблемы при высоких напряжениях и высоких температурах. Обычные газы включают CO₂, CO и различные углеводороды, образующиеся в результате разложения карбонатов. В ячейках мешочка вы увидите, как он заметно разбухает. В цилиндрических или призматических ячейках с твердым корпусом давление нарастает до тех пор, пока не откроется предохранительное отверстие (обычно 10–15 бар).
Потеря запасов лития является основным механизмом угасания. Каждый раз, когда SEI или литиевые пластины необратимо растут на аноде, некоторое количество лития забирается из пула циклируемого лития. В конце концов вы исчерпаете запасы и емкость упадет.
Внезапные сбои могут произойти из-за внутренних замыканий. Большинство коротких замыканий начинаются с малого-: крошечная металлическая частица пробивает сепаратор или прорастает литиевый дендрит. Короткое замыкание создает горячую точку, которая локально ускоряет деградацию, что делает короткое замыкание еще хуже, и вы получаете петлю положительной обратной связи. Иногда клетка сама-восстанавливается, если короткое замыкание расплавляется. В других случаях дело доходит до температурного выхода из-под контроля.
Тесты на проникновение гвоздя (проталкивание стального гвоздя через заряженный элемент) являются стандартным тестом на злоупотребление. Клетки LFP обычно не выходят из-под контроля температуры из-за проникновения гвоздя. Ячейки NMC часто это делают, хотя иногда могут пройти конструкции с лучшими сепараторами и более низкой удельной энергией.
На рисунке 5 показано сохранение емкости в зависимости от количества циклов для нескольких химических процессов в умеренных условиях циклирования (1C заряд/разряд, 25 градусов, 100% DOD).
Состояние заряда и оценка состояния здоровья
Вы не можете напрямую измерить, сколько энергии содержится в литий-ионном элементе. Вы должны оценить его по другим измерениям: напряжению, току и температуре.
Самый простой метод оценки SOC основан на напряжении-. Каждый химический состав имеет характеристическую кривую зависимости напряжения разомкнутой-цепи от SOC. Измерьте напряжение после того, как элемент отдохнет некоторое время (чтобы позволить переходному напряжению упасть из-за затухания внутреннего сопротивления), посмотрите его на кривую OCV, и вы узнаете SOC. Проблема в том, что в реальных приложениях у ячейки редко есть время отдохнуть.
Подсчет Кулона является стандартным подходом. Вы интегрируете ток с течением времени, чтобы отслеживать вход и выход заряда. Если вы начинаете с известного SOC, вы можете рассчитать новый SOC в любое время. Точность зависит от вашего датчика тока (типично ±0,5%) и знания истинной емкости. Ошибки накапливаются со временем, поэтому необходимо периодически выполнять повторную калибровку, выполняя цикл полной зарядки или разрядки.
Методы, основанные на-моделях, используют модель эквивалентной схемы или электрохимическую модель элемента. Вы измеряете напряжение и ток на клеммах, пропускаете их через свою модель и извлекаете внутренние состояния, включая SOC. Расширенные фильтры Калмана или аналогичные наблюдатели состояния являются обычным явлением. Эти подходы могут быть очень точными (погрешность SOC ±2%), но требуют хороших моделей и значительных вычислительных ресурсов.
Оценить SOH сложнее, потому что вы пытаетесь количественно оценить деградацию, которая происходит медленно и постепенно. Снижение емкости и рост импеданса не обязательно коррелируют линейно друг с другом или с количеством циклов. Элемент, который быстро-заряжался часто, может иметь высокий импеданс, но снижение емкости будет лишь умеренным. Ячейка, хранившаяся при высокой SOC/температуре, может иметь значительное снижение емкости, но относительно низкий рост импеданса.
В отраслевой практике SOH определяется на основе емкости: элемент с 80 % от исходной емкости соответствует 80 % SOH, и это часто считается окончанием-срока-срока службы электромобилей. Ячейка все еще работает, но радиус действия упал на 20%. Для хранения энергии можно использовать элементы с содержанием SOH до 60-70%.
Некоторые BMS периодически проверяют емкость-полностью разряжают батарею с низкой скоростью и измеряют, сколько энергии выделяется. Это точный, но навязчивый метод (батарея во время теста недоступна) и занимает несколько часов. Другие подходы пытаются оценить емкость косвенно по кривым напряжения, измерениям импеданса или кулоновскому КПД.
Внутреннее сопротивление можно измерить, подав импульс тока и измерив реакцию напряжения или подав небольшой сигнал переменного тока на различных частотах (спектроскопия электрохимического импеданса). EIS дает гораздо больше информации, но требует специального оборудования, которое редко присутствует в коммерческих BMS.
Вторая-применение и переработка
Когда срок службы аккумулятора электромобиля подходит к концу--(обычно это 70-80 % от первоначальной емкости), он по-прежнему полностью работоспособен для менее требовательных приложений. Использование аккумуляторов второго срока службы набирает обороты для стационарного хранения энергии.
Экономика сложная. Вам необходимо протестировать устаревший пакет, потенциально восстановить его (заменить BMS, систему охлаждения или поврежденные модули), сертифицировать его для нового применения и предоставить гарантию. Все это стоит денег. Чтобы второй-жизнь имела смысл, отремонтированный аккумулятор должен стоить значительно дешевле, чем новый аккумулятор, предназначенный для стационарного применения. Затраты окупаются даже в том случае, если стоимость ремонта составляет менее 40–50 % от стоимости новой упаковки, в зависимости от анализа, которому вы верите.
Тестирование устаревших ячеек — задача-нетривиальная. Модуль может содержать сотни ячеек, соединенных последовательно-параллельно. Вы не можете легко протестировать их по отдельности. Вы можете протестировать модуль как единое целое, но одна неисправная ячейка может замаскироваться. Некоторые виды деградации трудно обнаружить без разрушающего тестирования. Также возникает вопрос об ответственности: если загорится аккумулятор со вторым-ресурсом, кто будет нести ответственность?
Переработка отходов – это конечная цель--жизненного пути. В настоящее время в крупных масштабах-переработка используется пирометаллургия (плавка) или гидрометаллургия (химическое выщелачивание). Пирометаллургия более проста, но менее селективна.-вы получаете смешанные металлические сплавы, требующие дальнейшего рафинирования. Гидрометаллургия может извлекать отдельные металлы с более высокой чистотой, но требует большего количества этапов и приводит к образованию химических отходов.
Экономика переработки во многом зависит от цен на металл. Кобальт ценен (исторически примерно 30-40 долларов за кг, хотя цены сильно колеблются), поэтому переработка химикатов,-богатых кобальтом, экономически выгодна. Никель стоит перерабатывать в больших масштабах. Марганец, железо и алюминий — металлы с низкой-ценностью, поэтому переработку имеет смысл главным образом для того, чтобы не допустить их попадания на свалки. Литий интересен: его килограмм не особенно ценен, но ограничения в поставках делают его добычу привлекательной.
Прямая переработка-разборка батареи и повторное использование катодного или анодного материала напрямую, без разрушения его до солей металлов- – это горячая область исследований. Если бы вы могли восстановить катодный порошок в пригодной для использования форме, вы бы сэкономили энергию и стоимость катодного синтеза. Проблемы включают в себя отделение активного материала от токосъемников и связующих, а также решение проблемы того факта, что переработанный материал представляет собой смесь клеток разных производителей, возрастов и химических процессов.
