Что такое цикл жизни?

Срок службы – это количество циклов зарядки-разрядки, которое проходит аккумулятор, прежде чем его емкость достигнет определенного заранее заданного уровня. Обычно это 80%, хотя я видел характеристики повсюду: 70% для одних автомобильных приложений, 85% для других. Сам порог является произвольным и больше связан с расчетом гарантии, чем с каким-либо фундаментальным свойством химического состава аккумуляторов.

Слой SEI на графитовых анодах, вероятно, является наиболее изученным механизмом деградации литий-ионных аккумуляторов. Когда вы впервые заряжаете аккумулятор, электролит разлагается на поверхности анода и образует твердую пленку-в основном карбонат лития, немного фторида лития, если вы используете соль LiPF6, а также различные органические соединения. Этот слой должен стабилизироваться после нескольких циклов. Это не так. Он продолжает медленно расти, пожирая литий, который должен вращаться. Несколько лет назад я работал над проектом, пытаясь стабилизировать SEI с помощью добавок к электролиту. ФЭК (фторэтиленкарбонат) помогает, ВК (виниленкарбонат) помогает больше. Ни один из них не решает эту проблему полностью.

Катоды с высоким-никелем трескаются. NMC811, состоящий из 80 % никеля, 10 % марганца и 10 % кобальта, претерпевает значительные изменения объема во время циклирования,-намного больше, чем более старые составы NMC111 или NMC523. Частицы буквально распадаются на части. Вы можете увидеть это на СЭМ после нескольких сотен циклов. Примерно в 2019 году компания CATL выяснила, что если вы синтезируете монокристаллические частицы вместо поликристаллических агрегатов, которые все производят, вы устраните большую часть растрескивания, поскольку нет границ зерен. Сейчас это звучит очевидно, но получение правильных параметров синтеза в нужном масштабе заняло годы. Я думаю, что BYD делает что-то подобное со своей батареей Blade, но они мало публикуют информацию о своей катодной обработке.

Честно говоря, температура имеет большее значение, чем что-либо еще. На каждые 10 градусов увеличения вы примерно удваиваете скорость старения. Это не совсем так:-разные механизмы имеют разную энергию активации-, но для инженерных оценок это достаточно близко. Пакет, работающий в среднем при 35 градусах, прослужит намного дольше, чем пакет при 45 градусах. Тесла понял это рано, выпустив родстер. Их более поздние автомобили имеют довольно агрессивную систему терморегулирования: они будут охлаждаться, даже когда припаркованы, если рюкзак станет слишком горячим.

Холод – это странно. Химия разложения замедляется, и это хорошо. Но вы получите гораздо более высокое сопротивление, и если вы попытаетесь заряжать слишком быстро, вы поместите литий на анод, что очень плохо. Отложения лития приводят к необратимой потере мощности, и если они превращаются в дендриты, вы можете получить внутреннее короткое замыкание. По этой причине большинство электромобилей не позволяют осуществлять быструю зарядку постоянным током при температуре ниже 0 градусов.

cycle life

Существует хорошо-известный эффект: неглубокая езда на велосипеде продлевает жизнь. Если вы используете только 40% емкости аккумулятора вместо 100%, вы можете утроить срок службы. Может быть, больше. Механизмы не совсем ясны. Вероятно, помогут небольшие изменения объема электродов. Определенно помогает избегать экстремальных электродных потенциалов, при которых ускоряются побочные реакции. Но никто на самом деле не определил точный вклад каждого фактора.

Каждый электромобиль скрывает от вас какую-то мощность. Когда на вашей приборной панели указано 0%, вы, вероятно, имеете реальный SOC 5%. Когда написано 100%, вы на 95% или, может быть, на 90%. Эти цифры производители не публикуют. Я попытался выполнить реверс-инжиниринг-на своем старом Bolt, просматривая данные BMS по шине CAN, но калибровочные таблицы зашифрованы.

Никто не хочет ждать 3-4 года, чтобы проверить конструкцию батареи. Поэтому мы проводим ускоренные испытания — более высокие температуры, более высокие скорости езды на велосипеде. Проблема в том, что не все механизмы деградации ускоряются одинаково. Некоторые делают, некоторые нет. Температурное ускорение очень хорошо работает для большинства химических процессов. Скорость ускорения отрывочна. И есть режимы сбоя, которые проявляются только после продления календарного времени, и вы просто не можете ускориться вообще.

Недавние прогнозы ML интересны. Вы вводите в модель данные раннего цикла, и она прогнозирует долгосрочное-снижение мощности. Стэнфорд опубликовал некоторые работы по этому поводу в 2019 году, Карнеги-Меллон проделал аналогичные работы. Это удивительно хорошо работает на клетках, на которых они обучались. Проблема в генерализации. Измените состав катода или рецептуру электролита, и вам придется переучиваться с новыми данными, что противоречит цели, если вы пытаетесь спрогнозировать срок службы новой конструкции.

cycle life

LFP имеет лучший срок службы, чем NMC, и точка. Вы можете легко получить 3000-5000 циклов, а иногда и больше. Снижение плотности энергии является жестоким, хотя-вы теряете 30–40 % по сравнению с NMC с высоким содержанием никеля. Китайские производители решили, что этот компромисс имеет смысл для более дешевых электромобилей, где людям не нужен запас хода в 300+ миль. BYD, CATL, все там делают LFP для автомобилей стандартной комплектации. Западные OEM-производители внедряют его медленнее. Я не уверен, культурная разница или разница в рынке, или и то, и другое.

Судя по утверждениям CATL и Natron, ион натрия - имеет такой же срок службы, что и LFP, но он находится в производстве всего около года, так что кто знает, что произойдет после 5+ лет работы.

Твердое-состояние по-прежнему обещает больший срок службы, поскольку отсутствие жидкого электролита означает более стабильные интерфейсы. Но их по-прежнему нет в продаже. До QuantumScape осталось «два года» вот уже около шести лет. Сопротивление интерфейса, потеря контакта при циклическом использовании, литиевые дендриты в некоторых конструкциях-эти проблемы сложнее, чем кто-либо мог подумать. Возможно, сульфидные электролиты будут работать лучше, чем оксиды. Данные, поступающие из Японии, предполагают, что возможно.

cycle life

Это часто игнорируется, но это очень важно для автомобилей, на которых мало ездят. Ваша батарея разряжается, просто находясь там. Температура хранения и SOC имеют значение. В худшем случае – 100 % заряда при высокой температуре.-Вы потеряете несколько процентов в год, ничего не делая.. 40% SOC при комнатной температуре — оптимальное хранение, но, очевидно, непрактичное для автомобиля, которым вы фактически пользуетесь.

Грид-хранилище — это совсем другое дело. Вам необходим срок службы 20+ года, что означает минимум 7000+ циклов, возможно, 10,000+, если вы выполняете несколько циклов в день. Но вы можете допустить более низкую плотность энергии и у вас будет больше места для управления температурным режимом. Экономика работает по-другому.-Капитальные затраты имеют большее значение по сравнению с эксплуатационными расходами, когда вы амортизируете затраты на протяжении десятилетий.

Я недостаточно знаю о новых типах батарей, чтобы сказать много полезного. Литий-сера до сих пор имеет ужасный срок службы из-за полисульфидного шаттла, хотя некоторые компании утверждают, что им удалось решить эту проблему. Литий-металлические аноды в сочетании с твердыми электролитами могут стать шагом вперед, но проблема дендритов не исчезла. И даже если материалы сработают, масштабирование производства чего-либо нового займет минимум 5-10 лет. Так что, что бы ни случилось дальше, мы застрянем с литий-ионными вариантами как минимум еще на десятилетие.

Литий-полимерные аккумуляторынаходятся где-то посередине:-более высокая гибкость упаковки, чем у цилиндрических элементов, срок службы, сравнимый со стандартным литий-ионным-ионом, если поддерживать разумную температуру. Достойный вариант для ограниченного пространства, но ничего революционного.