Bateri litium ion tidak benar-benar "menjana" kuasa mengikut cara kebanyakan orang memikirkannya. Apa yang mereka lakukan ialah menyimpan tenaga elektrik melalui tindak balas elektrokimia boleh balik, kemudian melepaskannya apabila litar luaran memerlukan arus. Kekeliruan tentang perkara ini sering timbul dalam mesyuarat reka bentuk, terutamanya apabila seseorang cuba mensaiz pek bateri untuk kali pertama.
Dua perkara berlaku semasa pelepasan. Pertama, ion litium berhijrah dari elektrod negatif (anod) melalui elektrolit dan pemisah ke elektrod positif (katod). Kedua, elektron mengalir melalui litar luar dari anod ke katod, melakukan kerja yang berguna. Semasa mengecas, anda membalikkan proses dengan menggunakan voltan luaran yang memaksa ion dan elektron bergerak ke arah yang bertentangan.
Voltan yang dihasilkan oleh sel bergantung sepenuhnya pada bahan elektrod yang anda pilih dan potensi elektrokimia masing-masing. Sel baru yang terletak di atas rak tanpa beban akan menunjukkan-voltan litar-nya yang terbuka biasanya sekitar 3.6 hingga 3.7V untuk kebanyakan kimia ion litium, walaupun nombor ini bergerak bergantung pada keadaan cas dan suhu. Sebaik sahaja anda menyambungkan beban dan mula menarik arus, voltan menurun kerana rintangan dalaman. Berapa banyak ia jatuh memberitahu anda banyak tentang kesihatan sel.
Asas Kimia Sel
Semua sel ion litium berkongsi prinsip operasi asas yang sama, tetapi kimia berbeza secara meluas. Bahan katod sebahagian besarnya menentukan ciri prestasi sel-ketumpatan tenaga, keupayaan kuasa, hayat kitaran, kestabilan terma dan kos.
Katod oksida berlapis adalah kimia komersial pertama. Sony memperkenalkannya kembali pada tahun 1991 dengan LiCoO₂ (lithium kobalt oksida), yang masih digunakan dalam elektronik pengguna di mana ketumpatan tenaga lebih penting daripada margin kos atau keselamatan. Sel-sel ini membungkus kira-kira 150-200 Wh/kg pada tahap sel. Kobalt mahal walaupun, dan kimia menjadi tidak stabil melebihi 150 darjah . Kami telah melihat pelarian haba bermula pada suhu serendah 130 darjah dalam sel yang disalahgunakan.
Pemacuan untuk keselamatan yang lebih baik dan kos yang lebih rendah membawa kepada LiMn₂O₄ (lithium mangan oksida) pada pertengahan-1990-an. Mangan adalah murah kotoran dan struktur spinel sememangnya lebih stabil. Sel-sel ini tidak akan lari sehingga anda melepasi 250 darjah biasanya. Pertukaran? Ketumpatan tenaga turun kepada 100-120 Wh/kg, dan mangan larut ke dalam elektrolit dari semasa ke semasa, terutamanya pada suhu tinggi. Kehidupan kitaran menderita-anda melihat mungkin 300-700 kitaran sebelum kapasiti menurun di bawah 80%.
LiFePO₄ (lithium besi fosfat) muncul sekitar tahun 2001 dan menukar perbualan keselamatan. Struktur olivin adalah batu-pepejal secara terma; pelarian haba tidak berlaku sehingga melebihi 270 darjah , dan walaupun begitu ia kurang ganas. Hayat kitaran adalah cemerlang-2,000+ kitaran kepada kapasiti 80% adalah standard dan beberapa sel telah diuji melepasi 5,000 kitaran. Kelemahannya ialah voltan: hanya 3.2V nominal, dan ketumpatan tenaga dihadkan kepada 90-120 Wh/kg. Juga, keadaan paten fosfat adalah kucar-kacir selama bertahun-tahun.
NMC (lithium nikel mangan kobalt oksida) dan NCA (lithium nikel kobalt aluminium oksida) muncul sebagai kimia "seimbang". Dengan mencampurkan nikel, mangan dan kobalt dalam pelbagai nisbah-yang biasa ialah NMC 111, 532, 622 dan 811 dengan nombor menunjukkan kandungan logam relatif-anda boleh menala prestasi. Kandungan nikel yang lebih tinggi mendorong kepadatan tenaga sehingga 200-250 Wj/kg tetapi pada kos kestabilan haba dan hayat kitaran. Sel NMC 811 boleh mencapai 250 Wh/kg tetapi memerlukan pengurusan haba yang lebih berhati-hati.
Di bahagian anod, grafit telah menjadi standard sejak hari pertama. Kapasiti teori ialah 372 mAh/g, dan sel komersial biasanya mencapai 340-360 mAh/g. Litium berinterkalasi antara lapisan graphene semasa pengecasan, mengembangkan volum grafit sebanyak kira-kira 10%. Tekanan mekanikal ini menyumbang kepada keupayaan pudar semasa berbasikal.
Anod silikon telah menjadi "perkara besar seterusnya" selama kira-kira lima belas tahun sekarang. Kapasiti teori silikon ialah 4,200 mAh/g-lebih daripada sepuluh kali ganda grafit. Masalahnya, silikon mengembang sebanyak 300% apabila ia menyerap litium. Ini memecahkan anod selepas beberapa kitaran. Pendekatan semasa menggunakan campuran silikon-grafit dengan kandungan silikon biasanya di bawah 10% untuk memastikan pengembangan terurus. Walaupun begitu,-kitaran pertama kehilangan kapasiti tak boleh balik berjalan 15-25% dalam anod yang mengandungi silikon berbanding 5-10% untuk grafit tulen.
Pembinaan dan Format Sel
Sel silinder mungkin adalah apa yang kebanyakan orang bayangkan apabila mereka berfikir "bateri." Format 18650 (diameter 18mm, panjang 65mm) menjadi terkenal di mana-mana selepas pengeluar komputer riba menyeragamkannya pada awal 2000-an. Tesla terkenal menggunakan beribu-ribu daripadanya dalam Roadster asal. Kapasiti 18650 biasa menjalankan 2,000-3,500 mAh bergantung pada kimia dan sama ada anda mengoptimumkan tenaga atau kuasa.
Format 21700 yang lebih baharu (21mm × 70mm) yang dibangunkan bersama Tesla dan Panasonic menawarkan kira-kira 50% lebih tenaga bagi setiap sel-4,000-5,000 mAh adalah perkara biasa sekarang. Diameter yang lebih besar meningkatkan nisbah bahan aktif kepada komponen tidak aktif (pengumpul semasa, tin, peranti keselamatan), meningkatkan ketumpatan tenaga pada tahap pek. Barisan pembuatan terpaksa diolah semula, yang merupakan sebahagian daripada sebab penerimaan mengambil sedikit masa.
Sel prismatik datang daripada keinginan industri automotif untuk penggunaan ruang yang lebih baik. Daripada mengisi kotak dengan silinder dan meninggalkan semua ruang kosong itu, anda membuat sel segi empat tepat yang disusun dengan cekap. Sel prismatik gred-automotif berjulat daripada 20Ah hingga melebihi kapasiti 100Ah. Ia lebih mudah untuk diuruskan secara terma-dari sudut pembungkusan kerana anda boleh meletakkan plat penyejuk terus pada sisi rata. Kelemahannya ialah anda mempunyai semua telur anda dalam bakul yang lebih sedikit-jika satu sel prismatik yang besar gagal, anda kehilangan lebih banyak kapasiti berbanding jika satu sel silinder kecil gagal.
Sel kantung mengambil idea kecekapan ruang lebih jauh dengan menghapuskan tin logam sepenuhnya. Sel ini dimeterai dalam kantung laminat-aluminium yang fleksibel. Ini menjimatkan mungkin 10-15% berat berbanding tin prismatik, dan formatnya sangat fleksibel-anda boleh menjadikannya sebarang saiz atau bentuk yang diperlukan oleh aplikasi. Pengilang EV menyukainya kerana anda boleh menyusunnya terus dalam plat penyejuk. Kelemahannya adalah mekanikal: mereka memerlukan pemampatan luaran untuk mengelakkan delaminasi elektrod semasa berbasikal, dan mereka lebih terdedah kepada kerosakan tusukan.
Teknologi Pemisah
Pemisah tidak mendapat banyak perhatian, tetapi ia boleh dikatakan komponen keselamatan yang paling kritikal. Ia adalah membran berliang nipis (16-25 μm biasanya) yang menghalang anod dan katod daripada bersentuhan sambil membenarkan ion litium melaluinya. Pemisah awal adalah polietilena satu lapisan (PE) atau polipropilena (PP).
Pemisah berprestasi tinggi-moden menggunakan struktur tiga lapis, biasanya PP/PE/PP. Lapisan PE mempunyai takat lebur yang lebih rendah (135 darjah ) daripada PP (165 darjah ). Jika sel mula terlalu panas, PE mencair dan mengisi liang-liang, menutup pengangkutan ionik sebelum suhu mencapai tahap berbahaya. Ini dipanggil penutupan haba, dan ia adalah barisan pertahanan terakhir anda sebelum pelarian haba.
Pemisah bersalut-seramik menambah satu lagi jidar keselamatan. Salutan nipis (2-4 μm) alumina atau zarah seramik lain pada satu atau kedua-dua belah pemisah mengekalkan integriti struktur walaupun polimer cair. Salutan cukup berliang supaya pengangkutan ionik diteruskan, tetapi ia menghalang elektrod daripada litar pintas-walaupun pada suhu melebihi 150 darjah . Kelemahannya ialah kos-seramik-pemisah bersalut menjalankan 2-3× harga pemisah standard-dan galangan yang lebih tinggi sedikit.
Keliangan biasanya berjalan 40-50%. Terlalu rendah dan rintangan ionik meningkat, mengehadkan keupayaan kuasa. Terlalu tinggi dan kekuatan mekanikal menderita. Pengagihan saiz liang juga penting; nombor Gurley (ujian kebolehtelapan udara) ialah spesifikasi standard. Kebanyakan pemisah gred EV menyasarkan 200-400 saat/100cc.
Komposisi Elektrolit dan Bahan Tambahan
Elektrolit dalam sel ion litium adalah lebih kompleks daripada yang anda fikirkan. Rumusan asas lazimnya ialah garam litium-LiPF₆ (lithium hexafluorophosphate) dalam 95%+ sel-terlarut dalam campuran karbonat organik. Pelarut biasa termasuk etilena karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), dan etil metil karbonat (EMC).
Kepekatan LiPF₆ biasanya sekitar 1.0 hingga 1.2 M (molar). Kepekatan yang lebih tinggi meningkatkan kekonduksian ionik sehingga satu titik, tetapi melebihi 1.3 M atau lebih anda mula mendapat kerpasan garam pada suhu rendah. LiPF₆ mempunyai isu-kelembapan-sensitif dan mula terurai melebihi 60 darjah -tetapi alternatif seperti LiBOB atau LiFSI masih belum menggantikannya disebabkan kos atau pertukaran lain.
Campuran pelarut karbonat ditala untuk aplikasi. EC mempunyai pemalar dielektrik yang tinggi dan sifat pembentuk SEI-yang baik, tetapi ia membeku pada 36 darjah . Anda perlu mengadunnya dengan-karbonat kelikatan yang lebih rendah seperti DMC atau EMC untuk mengekalkan-prestasi suhu rendah. Rumusan biasa mungkin EC:DMC 1:1 mengikut volum, atau EC:EMC 3:7. Nisbah yang tepat adalah proprietari dan dikawal rapi.
Aditif adalah tempat keajaiban kimia sebenar berlaku. Elektrolit moden mengandungi 2-5% berat pelbagai bahan tambahan yang mengubah suai pembentukan SEI, mengelakkan cas berlebihan, menyekat penjanaan gas atau meningkatkan-kestabilan suhu tinggi. Vinilena karbonat (VC) pada 1-2% adalah hampir universal untuk meningkatkan kualiti SEI pada anod grafit. Fluoroethylene carbonate (FEC) berfungsi lebih baik untuk anod yang mengandungi silikon. Sebatian ini lebih disukai berkurangan semasa kitaran pengecasan awal, membentuk lapisan pelindung pada anod yang konduktif secara ion tetapi penebat elektronik.
Bahan tambahan perlindungan cas berlebihan seperti bifenil atau sikloheksilbenzena mula mempolimerkan sekitar 4.5V, menghasilkan pincang dalaman yang menghalang voltan daripada naik lebih jauh. Ini memberi anda sedikit perlindungan jika BMS gagal, walaupun bergantung padanya jelas bukan amalan terbaik reka bentuk.
Pembentukan Antaramuka Elektrolit Pepejal
SEI mungkin merupakan aspek yang paling kurang difahami tetapi paling penting dalam operasi bateri ion litium. Semasa beberapa kitaran pengecasan pertama, komponen elektrolit bertindak balas dengan permukaan anod, membentuk lapisan pempasifan. Lapisan ini adalah kritikal: ia mestilah konduktif secara ion (untuk membenarkan ion litium melalui) tetapi penebat elektronik (untuk mengelakkan penguraian elektrolit selanjutnya). Komposisi SEI ialah kucar-kacir-berpuluh-puluh garam litium, sebatian organik dan polimer semuanya bercampur bersama dalam lapisan setebal 10-100 nm.
Pembentukan SEI yang baik ialah perbezaan antara sel yang berkitar 500 kali dan satu yang berkitar 3,000 kali. Masalahnya ialah SEI tidak statik. Ia retak semasa perubahan volum dalam anod, mendedahkan permukaan segar yang menggunakan lebih banyak elektrolit dan litium untuk membaiki kerosakan. Inilah sebabnya kapasiti pudar semasa berbasikal walaupun anda bersikap lembut dengan sel.
Kitaran pembentukan adalah langkah pembuatan yang kritikal. Sel menjalani satu atau lebih kitaran nyahcas-perlahan pada suhu terkawal untuk mewujudkan SEI awal. Protokol pembentukan adalah proprietari, tetapi kadar pengecasan kitaran pertama biasa ialah C/20 hingga C/10 dan prosesnya boleh mengambil masa 24-48 jam. Pengilang mengoptimumkan had voltan pembentukan, suhu, tempoh rehat dan corak berbasikal untuk menghasilkan SEI yang paling stabil yang mungkin. Kesalahan ini menyebabkan anda mengalami kitaran hayat.
Penuaan kalendar-kehilangan kapasiti walaupun sel hanya duduk di sana-sebahagian besarnya adalah fenomena SEI juga. SEI terus berkembang perlahan di litar terbuka, menggunakan litium boleh kitar. Penyimpanan pada keadaan cas yang tinggi dan suhu tinggi mempercepatkan ini. Sel yang disimpan pada 100% SOC dan 60 darjah mungkin kehilangan kapasiti 20% dalam setahun, manakala sel yang sama pada 50% SOC dan 25 darjah mungkin kehilangan 3%.
Protokol Pengecasan dan Pengurusan Bateri
Sel ion litium sensitif kepada pengecasan berlebihan,-penyahcasan berlebihan dan pengecasan pada suhu yang tidak sesuai. Inilah sebabnya mengapa setiap pek bateri berbilang-sel memerlukan BMS (sistem pengurusan bateri).
Kaedah pengecasan standard ialah arus malar/voltan malar (CC-CV). Semasa fasa CC, anda menolak arus ke dalam sel pada kadar tetap-biasanya 0.5C hingga 1C untuk kebanyakan sel, walaupun sesetengah sel-berkuasa tinggi boleh mengendalikan 3C atau lebih. Voltan meningkat apabila sel mengecas. Apabila voltan mencapai had atas (4.2V untuk kebanyakan kimia, 3.65V untuk LFP, 4.3V atau 4.35V untuk beberapa-varian NMC tenaga tinggi), anda bertukar kepada mod CV. Arus mengecil apabila sel menghampiri cas penuh, biasanya terputus apabila arus turun di bawah C/20 atau C/50.
Pengecasan pantas adalah lebih rumit. Kadar cas yang lebih tinggi mempercepatkan penyaduran litium pada anod, yang berbahaya-litium logam adalah sangat reaktif dan boleh membawa kepada pembentukan seluar pendek atau dendrit dalaman yang menembusi pemisah. Untuk mengecas pantas-dengan selamat, anda perlu memahami cara voltan, arus dan suhu berinteraksi dengan keadaan permulaan penyaduran litium.
Isunya ialah anda tidak boleh mengukur penyaduran litium secara langsung dalam sel tertutup. Anda perlu membuat kesimpulan daripada isyarat lain. Satu pendekatan adalah untuk mengesan potensi anod berbanding rujukan logam litium. Jika potensi anod berada di bawah 0V berbanding Li/Li⁺, penyaduran sedang berlaku. Masalahnya, kebanyakan sel komersial tidak mempunyai elektrod rujukan.
Peningkatan suhu semasa pengecasan pantas juga penting. Pengecasan sel pada 2C mungkin melihat suhu dalamannya meningkat 15-20 darjah di atas ambien walaupun dengan penyejukan aktif. Pada suhu sejuk, ini sebenarnya membantu-sel sejuk (katakan -10 darjah ) mempunyai keupayaan kuasa yang sangat lemah, tetapi jika anda boleh memanaskannya dengan mengecas pada kadar sederhana (0.5C), prestasi bertambah baik. Sesetengah EV sebenarnya melakukan ini dengan sengaja: dalam cuaca sejuk, mereka akan menjalankan nadi cas arus tinggi ringkas untuk memanaskan bateri sebelum pemandu menuntut kuasa tinggi untuk pecutan.
Pengimbangan sel adalah perlu kerana sel dalam siri tidak pernah kekal padan dengan sempurna. Toleransi pembuatan, perbezaan kecil dalam-kadar nyahcas sendiri dan kecerunan terma merentas pek menyebabkan hanyut voltan. Jika anda mengecas rentetan siri tanpa mengimbangi, sesetengah sel mencapai had voltan atas sebelum yang lain. Sel-sel yang kuat kurang dicas, sel-sel lemah dicas berlebihan, dan prestasi terjejas.
Pengimbangan pasif menggunakan perintang untuk mengeluarkan tenaga daripada sel-voltan yang lebih tinggi. Ia mudah dan murah tetapi membazir tenaga sebagai haba. Pengimbangan aktif menggunakan DC-penukar atau kapasitor DC untuk memindahkan tenaga daripada sel tinggi ke sel rendah. Lebih cekap, lebih kompleks, lebih mahal. Untuk pek 400V EV, pengimbangan pasif mungkin membazirkan 50-100W secara berterusan, yang boleh diabaikan berbanding dengan kuasa memandu tetapi bertambah dari semasa ke semasa.
Pertimbangan Pengurusan Terma
Penjanaan haba dalam sel ion litium berasal daripada tiga sumber: haba tak boleh balik (Joule pemanasan daripada rintangan dalaman), haba boleh balik (perubahan entropi tindak balas elektrokimia), dan haba daripada tindak balas sampingan. Pada kadar C-rendah hingga sederhana, haba boleh balik mendominasi. Pada kadar C-yang tinggi, haba tak boleh balik mengambil alih.
Istilah haba boleh balik adalah menarik kerana ia berubah tanda bergantung pada SOC. Bagi kebanyakan kimia ion litium, pengecasan menjana haba pada SOC rendah tetapi menyerap haba pada SOC tinggi. Penyahcasan melakukan sebaliknya. Titik silang adalah sekitar 50-60% SOC biasanya. Inilah sebabnya mengapa anda mungkin melihat suhu sel sebenarnya menurun semasa fasa akhir pengecasan jika arus cukup rendah.
Rintangan dalaman berbeza-beza mengikut suhu, SOC dan penuaan. Pada 25 darjah, sel 18650 baharu mungkin mempunyai rintangan DC 40-60 miliohm. Pada -20 darjah, itu boleh melonjak kepada 200-300 miliohm. Inilah sebabnya mengapa julat EV cuaca sejuk menurun dengan begitu mendadak. Bukan sahaja kimia lebih perlahan pada suhu rendah, tetapi peningkatan rintangan dalaman bermakna lebih banyak tenaga bateri terbuang sebagai haba di dalam sel.
Ambang pelarian haba bergantung kepada kimia. Untuk sel NMC, tindak balas penguraian eksotermik bermula sekitar 180-220 darjah . Sebaik sahaja dimulakan, suhu boleh meningkat pada 10-50 darjah sesaat, mencapai 800 darjah atau lebih tinggi. LFP jauh lebih selamat; permulaan larian haba ialah 270 darjah + dan suhu maksimum yang dicapai adalah lebih rendah.
Pembiakan antara sel dalam pek adalah bahaya sebenar. Jika satu sel masuk ke pelarian haba, ia memanaskan jirannya. Sama ada sel jiran juga lari bergantung pada keupayaan penyejukan, jarak sel dan penebat. Ujian penyebaran UL 9540A mensimulasikan ini dengan memaksa satu sel ke dalam pelarian haba dan memantau sama ada sel bersebelahan mengikuti. Reka bentuk pek yang baik mengandungi kegagalan pada satu sel atau paling banyak modul kecil.
Strategi penyejukan berbeza-beza. Penyejukan udara adalah paling mudah-meniup udara ke atas sel atau pek. Berfungsi OK untuk aplikasi ketumpatan kuasa rendah seperti PHEV atau sistem storan tenaga. Penyejukan cecair diperlukan untuk-berprestasi tinggi EV. Kebanyakan reka bentuk menggunakan air 50:50-campuran glikol pada 10-25 liter seminit melalui plat sejuk atau saluran penyejukan. Suhu masukan biasanya dikawal kepada 20-35 darjah . Kecerunan suhu pek bateri hendaklah kekal di bawah 5 darjah maks hingga min untuk mengelakkan penuaan dipercepatkan sel yang paling panas.
Sesetengah reka bentuk percubaan menggunakan penyejukan penyejuk, penyejukan rendaman dalam cecair dielektrik atau bahan perubahan-fasa. Penyejukan bahan pendingin boleh menarik lebih banyak haba tetapi memerlukan sistem AC yang lebih kompleks. Penyejukan rendaman mempunyai pekali pemindahan haba yang sangat baik (500-2,000 W/m²K berbanding 50-150 W/m²K untuk penyejukan cecair tidak langsung) tetapi keserasian pengedap dan bendalir adalah cabaran. PCM berfungsi secara pasif tetapi perlu menolak haba yang disimpan akhirnya, jadi ia membantu terutamanya dengan penyejukan sementara semasa pengecasan pantas atau pecutan keras.
Mod Kemerosotan Prestasi dan Kegagalan
Kapasiti pudar dan pertumbuhan impedans adalah dua mekanisme degradasi utama. Ia disebabkan oleh beberapa proses fizikal dan kimia yang berbeza yang berlaku serentak.
Di bahagian anod, pertumbuhan SEI menggunakan litium dan elektrolit yang boleh dikitar, meningkatkan rintangan. Pengelupasan grafit boleh berlaku jika sel dicas pada suhu rendah-plat litium pada permukaan grafit dan bukannya berselang, dan apabila ia akhirnya berselang, ia memecahkan struktur grafit. Ini selalunya tidak dapat dipulihkan. Penguraian pengikat pada suhu tinggi menyebabkan kehilangan sentuhan elektrik antara zarah.
Degradasi katod termasuk pelarutan logam peralihan (terutamanya mangan dalam LMO atau mangan-mengandungi NMC), perubahan struktur daripada kemasukan/pengekstrak litium berulang dan pembinaan semula permukaan dalam katod-nikel tinggi. Logam peralihan terlarut berhijrah ke anod di mana ia memangkinkan pertumbuhan SEI, jadi degradasi katod secara tidak langsung mempercepatkan degradasi anod.
Penguraian elektrolit dan penjanaan gas adalah masalah yang lebih besar pada voltan tinggi dan suhu tinggi. Gas biasa termasuk CO₂, CO, dan pelbagai hidrokarbon daripada penguraian karbonat. Dalam sel kantung, anda akan melihat kantung membengkak dengan jelas. Dalam sel silinder atau prismatik dengan kes keras, tekanan meningkat sehingga bolong keselamatan terbuka (biasanya pada 10-15 bar).
Kehilangan inventori litium adalah mekanisme pudar utama. Setiap kali SEI tumbuh atau plat litium tidak dapat dipulihkan pada anod, beberapa litium dikeluarkan daripada kumpulan litium boleh kitar. Akhirnya anda kehabisan dan kapasiti menurun.
Kegagalan secara tiba-tiba boleh berlaku dari seluar pendek dalaman. Kebanyakan seluar pendek bermula kecil-zarah logam kecil menusuk pemisah, atau litium dendrit tumbuh melaluinya. Pendek mencipta titik panas, yang mempercepatkan degradasi secara tempatan, yang menjadikan pendek lebih teruk, dan anda mendapat gelung maklum balas yang positif. Kadangkala sel sendiri-sembuh jika pendek cair dengan sendirinya terbuka. Pada masa lain ia berkembang menjadi pelarian haba.
Ujian penembusan paku (memaksa paku keluli melalui sel bercas) ialah ujian penyalahgunaan standard. Sel-sel LFP biasanya tidak pergi ke pelarian haba daripada penembusan kuku. Sel NMC sering melakukannya, walaupun reka bentuk dengan pemisah yang lebih baik dan tenaga spesifik yang lebih rendah kadangkala boleh lulus.
Rajah 5 plot pengekalan kapasiti berbanding nombor kitaran untuk beberapa kimia dalam keadaan berbasikal sederhana (caj/nyahcas 1C, 25 darjah, 100% DOD).
Keadaan Caj dan Anggaran Keadaan Kesihatan
Anda tidak boleh mengukur secara langsung berapa banyak tenaga dalam sel ion litium. Anda perlu menganggarkannya daripada ukuran lain: voltan, arus dan suhu.
Kaedah anggaran SOC yang paling mudah ialah berasaskan voltan-. Setiap kimia mempunyai ciri voltan litar-terbuka berbanding keluk SOC. Ukur voltan selepas sel berehat seketika (untuk membiarkan voltan sementara jatuh daripada pereputan rintangan dalaman), cari pada lengkung OCV, dan anda tahu SOC. Masalahnya, anda jarang mempunyai masa untuk sel berehat dalam aplikasi sebenar.
Pengiraan Coulomb adalah pendekatan standard. Anda menyepadukan arus dari semasa ke semasa untuk menjejak cas masuk dan keluar. Jika anda bermula pada SOC yang diketahui, anda boleh mengira SOC baharu pada bila-bila masa. Ketepatan bergantung pada sensor semasa anda (±0.5% adalah tipikal) dan mengetahui kapasiti sebenar. Ralat terkumpul dari semasa ke semasa, jadi anda perlu menentukur semula secara berkala dengan melakukan kitaran cas atau nyahcas penuh.
Kaedah berasaskan model-menggunakan model litar setara atau model elektrokimia sel. Anda mengukur voltan dan arus terminal, menjalankannya melalui model anda, dan mengekstrak keadaan dalaman termasuk SOC. Penapis Kalman lanjutan atau pemerhati keadaan yang serupa adalah perkara biasa. Pendekatan ini boleh menjadi sangat tepat (± 2% ralat SOC) tetapi memerlukan model yang baik dan sumber pengiraan yang ketara.
Anggaran SOH lebih sukar kerana anda cuba mengukur kemerosotan, yang perlahan dan beransur-ansur. Kapasiti pudar dan pertumbuhan impedans tidak semestinya berkorelasi secara linear antara satu sama lain atau dengan kiraan kitaran. Sel yang telah cepat-dicas dengan banyak mungkin mempunyai galangan yang tinggi tetapi hanya kapasiti sederhana pudar. Sel yang telah disimpan pada SOC/suhu tinggi mungkin mempunyai kapasiti pudar yang ketara tetapi pertumbuhan impedans yang agak rendah.
Amalan industri adalah untuk mentakrifkan SOH berdasarkan kapasiti: sel pada 80% daripada kapasiti asalnya ialah pada 80% SOH, dan ini sering dianggap akhir-hidup-untuk aplikasi EV. Sel masih berfungsi, tetapi julat telah menurun 20%. Untuk aplikasi penyimpanan tenaga, sel mungkin digunakan sehingga 60-70% SOH.
Sesetengah BMS melakukan semakan kapasiti berkala-menyahcas sepenuhnya bateri pada kadar rendah dan mengukur jumlah tenaga yang keluar. Ini adalah tepat tetapi mengganggu (bateri tidak tersedia semasa ujian) dan mengambil masa berjam-jam. Pendekatan lain cuba menganggar kapasiti secara tidak langsung daripada lengkung voltan, ukuran impedans, atau kecekapan coulombik.
Rintangan dalaman boleh diukur dengan menggunakan nadi semasa dan mengukur tindak balas voltan, atau dengan menyuntik isyarat AC kecil pada pelbagai frekuensi (spektroskopi impedans elektrokimia). EIS memberikan lebih banyak maklumat tetapi memerlukan perkakasan khusus yang jarang terdapat dalam BMS komersial.
Kedua-Aplikasi Kehidupan dan Kitar Semula
Apabila bateri EV mencapai akhir-hidup-(biasanya 70-80% daripada kapasiti asal), ia masih berfungsi dengan sempurna untuk aplikasi yang kurang menuntut. Penggunaan bateri hayat kedua semakin menarik untuk penyimpanan tenaga pegun.
Ekonomi adalah rumit. Anda perlu menguji pek bersara, berkemungkinan mengeluarkannya semula (menggantikan BMS, sistem penyejukan atau modul yang rosak), mengesahkannya untuk aplikasi baharu dan memberikan jaminan. Semua ini memerlukan wang. Untuk kehidupan kedua-menjadi masuk akal, pek yang diperbaharui perlu kos yang jauh lebih rendah daripada pek baharu yang direka untuk aplikasi pegun. Kos rosak walaupun jika pengubahsuaian dijalankan kurang daripada 40-50% daripada kos pek baharu, bergantung pada analisis siapa yang anda percayai.
Menguji sel yang telah bersara adalah-tidak penting. Modul mungkin mengandungi beratus-ratus sel dalam siri-selari. Anda tidak boleh dengan mudah mengujinya secara individu. Anda boleh menguji modul sebagai satu unit, tetapi satu sel buruk boleh menutup dirinya. Sesetengah mod degradasi sukar dikesan tanpa ujian yang merosakkan. Terdapat juga soalan liabiliti: jika bateri-masa hayat kedua terbakar, siapa yang bertanggungjawab?
Kitar semula ialah penghujung-dari-laluan hidup. Kitar semula berskala besar-semasa menggunakan pyrometallurgy (peleburan) atau hydrometallurgy (leaching kimia). Pyrometallurgy lebih ringkas tetapi kurang selektif-anda mendapat aloi logam campuran yang memerlukan penapisan lanjut. Hidrometalurgi boleh memulihkan logam individu pada ketulenan yang lebih tinggi tetapi memerlukan lebih banyak langkah dan menghasilkan sisa kimia.
Ekonomi kitar semula sangat bergantung pada harga logam. Kobalt berharga (kira-kira $30-40/kg mengikut sejarah, walaupun harga berubah secara mendadak), jadi mengitar semula-bahan kimia kobalt berdaya maju dari segi ekonomi. Nikel bernilai kitar semula pada skala. Mangan, besi dan aluminium ialah logam-bernilai rendah, jadi kitar semula adalah wajar terutamanya untuk mengelakkannya daripada tapak pelupusan sampah. Litium adalah menarik-ia tidak begitu berharga bagi setiap kilogram, tetapi kekangan bekalan menjadikan pemulihan menarik.
Kitar semula terus-membuang bateri dan menggunakan semula bahan katod atau anod secara langsung tanpa memecahkannya kepada garam logam-adalah kawasan penyelidikan yang hangat. Jika anda boleh mendapatkan semula serbuk katod dalam bentuk yang boleh digunakan, anda akan menjimatkan tenaga dan kos sintesis katod. Cabaran termasuk mengasingkan bahan aktif daripada pengumpul dan pengikat semasa, dan menangani fakta bahawa bahan kitar semula ialah campuran sel daripada pengeluar, umur dan kimia yang berbeza.
