Причины деградации аккумулятора

Справочные статьиЖурнал ПВ

Несмотря на большое разнообразие аккумуляторов, каждый тип элемента и подвид устройства имеет уникальную уязвимость к деградации, зависящей от использования и других факторов. Некоторые клетки процветают при низкой температуре, другие преуспевают при высоких токах. Однако такая специализация часто обходится дорого.

Старение батареи связано либо со временем (в случае календарного или «календарного» старения), либо с использованием, при этом зарядка и разрядка представляют собой «циклическое» старение.

Обе формы старения способствуют снижению мощности и эффективности и увеличению внутреннего сопротивления, поскольку ионы навсегда попадают в ловушку неприятных побочных реакций. Эти реакции обусловлены различными «влияющими факторами». Обычно ионы необратимо реагируют с другими материалами в клетке, образуя пассивные остатки и предотвращая их использование для транспорта энергии.

Общие влияющие факторы, влияние которых зависит от типа элемента, включают температуру элементов батареи; состояние заряда устройства (СОЦ); и ток или мощность, используемая во время зарядки и разрядки. Что касается состояния заряда – количества заряда или энергии в батарее – СОЦ в режиме ожидания имеет значение, когда батарея не используется, а окно СОЦ (диапазон, в котором происходит циклическая работа) имеет значение, когда устройство находится в циклическом режиме.

Механическое напряжение, такое как вибрация и давление, является еще одним фактором, влияющим на деградацию батареи, но сейчас мы сосредоточимся на трех вышеперечисленных факторах.

Температура

Температура играет решающую роль в сроке службы аккумулятора. Большинство химических элементов клеток выигрывают от хранения и простоя при низких температурах, ниже 20°С, поскольку это замедляет календарное старение за счет снижения вероятности побочных реакций. Работа на холостом ходу при более высоких температурах может значительно увеличить скорость деградации.

И наоборот, большинство клеточных технологий очень чувствительны к работе при низких температурах, что приводит к дилемме. Поскольку температура от 30 до 40 °C ниже оптимальной, оптимальная температура для работы аккумуляторных элементов составляет от 15 до 25 °C для большинства химических процессов. Новые аккумуляторы на основе никель-марганец-кобальта (НМЦ) очень чувствительны к зарядке при низкой температуре, и опасные дефекты могут возникнуть при зарядке при температуре ниже 10 C. На графике слева показаны три высококачественных элемента НМЦ одного типа. , скорость деградации немного улучшается при снижении рабочей температуры на 10 C, с 25 C (оранжевая линия) до 15 C (фиолетовая линия). Однако понижение температуры на 10°С (синяя линия) приведет к почти немедленному выходу из строя батареи.

Литиевое покрытие

Литий-ионные (ли-ион) аккумуляторы, как правило, безопасны, но при определенных условиях – при низких температурах, при высоком токе или при уже хорошо заполненном главном электроде – они могут подвергаться литиевому напылению. Приведенный выше пример демонстрирует влияние гальванического покрытия при низкой температуре. Покрытие — это форма остатков, которая возникает, когда ионы лития образуют металлические отложения внутри элементов батареи. Со временем этот процесс может накапливаться и в конечном итоге привести к внутренним коротким замыканиям, которые могут вызвать тепловой разгон – быстрое и опасное выделение тепла и газов.

СОЦ

Состояние заряда оказывает существенное влияние на срок службы батареи. Имеют значение как простой СОЦ во время неиспользования (что касается календарного устаревания), так и диапазон или окно СОЦ во время работы (циклическое устаревание). В следующем примере показаны две идентичные ячейки НМЦ.

На графике ниже показана эволюция деградации двух почти идентичных вариантов использования высококачественных ячеек НМЦ.

Оба используют только около 50% заряда батареи, а первый вариант использования (синяя линия) делает это в верхней половине СОЦ, начиная с полной зарядки и падая до 50%, а затем снова полностью заряжается. Второй вариант использования (оранжевый) начинается при уровне заряда 50 % и заканчивается практически пустым. Как показывают графики, влияние на деградацию невероятно: оранжевая батарея прослужит в два-три раза дольше, чем синяя, что снизит общую стоимость владения более чем вдвое.

Однако следует подчеркнуть, что это пример определенного типа ячейки, и другие устройства и ячейки могут вести себя совершенно по-другому. Как правило, избегание уровня СОЦ выше 90% и ниже 10% обычно продлевает срок службы батареи, но есть исключения.