Литий-иондук батарейкалар, чынында эле, көпчүлүк адамдар бул жөнүндө ойлогондой электр энергиясын "өндүрбөйт". Алардын кылганы электр энергиясын кайра калыбына келүүчү электрохимиялык реакциялар аркылуу сактап, андан кийин тышкы чынжыр ток талап кылганда аны бошотот. Дизайн жолугушууларында бул тууралуу башаламандык көп кездешет, айрыкча кимдир бирөө батареянын пакетин биринчи жолу өлчөөгө аракет кылганда.
Бою учурунда эки нерсе болот. Биринчиден, литий иондору терс электроддон (анод) электролит жана сепаратор аркылуу оң электродго (катод) өтөт. Экинчиден, электрондор тышкы чынжыр аркылуу аноддон катодго өтүп, пайдалуу иштерди аткарышат. Заряддоо учурунда сиз иондор менен электрондорду карама-каршы багытта жылдырууга мажбурлаган тышкы чыңалуу аркылуу процессти тескери аласыз.
Клетка чыгарган чыңалуу толугу менен сиз тандаган электрод материалдарына жана алардын электрохимиялык потенциалдарынан көз каранды. Жүгү жок текчеде отурган жаңы клетка ачык{1}}схема чыңалуусун-адатта литий-иондук химиянын көбү үчүн болжол менен 3,6-3,7V көрсөтөт, бирок бул сан заряддын абалына жана температурага жараша өзгөрөт. Сиз жүктү туташтырып, ток тарта баштаганда, ички каршылыктан улам чыңалуу төмөндөйт. Канча тамчы клетканын ден соолугу жөнүндө көп нерсени айтып турат.
Клетка химиясынын негиздери
Бардык литий-ион клеткалары бир эле негизги иштөө принциби менен бөлүшөт, бирок химиялар ар түрдүү. Катод материалы көбүнчө клетканын иштөө мүнөздөмөлөрүн-энергиянын тыгыздыгын, кубаттуулугун, циклдин иштөө мөөнөтүн, жылуулук туруктуулугун жана баасын аныктайт.
Катмарлуу оксид катоддору биринчи коммерциялык химия болгон. Sony аларды кайра 1991-жылы LiCoO₂ (литий кобальттын оксиди) менен киргизген, ал дагы деле керектөөчү электроникада колдонулат, бул жерде энергиянын тыгыздыгы баага же коопсуздук чектерине караганда маанилүү. Бул клеткалар клетка деңгээлинде болжол менен 150-200 Вт/кг топтойт. Кобальт кымбат болсо да, химиясы 150 градустан жогору туруксуз болуп калат. Коркунучтуу камераларда 130 градуска чейинки температурада термикалык качуу башталганын көрдүк.
1990-жылдардын орто ченинде LiMn₂O₄ (литий марганец оксиди) жакшыраак коопсуздукка жана арзаныраак чыгымга алып келди. Марганец кир арзан жана шпинелдин түзүлүшү табиятынан туруктуураак. Адаттагыдай 250 градустан ашмайынча, бул клеткалар качып кетпейт. Соода? Энергиянын тыгыздыгы 100-120 Вт/кг чейин төмөндөйт, ал эми марганец убакыттын өтүшү менен электролитке эрийт, айрыкча жогорку температурада. Цикл өмүрү азап чегип жатат - сиз кубаттуулугу 80% дан төмөн түшкөнгө чейин 300-700 циклди карап жатасыз.
LiFePO₄ (литий темир фосфаты) 2001-жылы пайда болуп, коопсуздук сүйлөшүүлөрүн өзгөрткөн. Оливиндин түзүлүшү термикалык жактан катуу-рок; термикалык качуу 270 градустан жогору болмоюнча болбойт, ал тургай, ал азыраак зомбулук. Циклдин иштөө мөөнөтү эң сонун - 2, 000+ цикл 80% кубаттуулукка чейин стандарт болуп саналат жана кээ бир клеткалар 5 000 циклден кийин сыналган. Жаман жагы чыңалуу: болгону 3,2V номиналдуу, ал эми энергиянын тыгыздыгы 90-120 Вт/кг менен чектелген. Ошондой эле, фосфаттык патенттин абалы жылдар бою баш аламан болгон.
NMC (литий никель марганец кобальт оксиди) жана NCA (литий никель кобальт алюминий оксиди) "балансталган" химия катары пайда болгон. Никелди, марганецти жана кобальтты ар кандай катышта аралаштыруу менен{1}}жалпы NMC 111, 532, 622 жана 811 болуп саналат, мында сандар салыштырмалуу металлдын мазмунун көрсөтөт-сиз өндүрүмдүүлүктү жөнгө сала аласыз. Никелдин жогорку мазмуну энергиянын тыгыздыгын 200-250 Вт/кг чейин түртөт, бирок жылуулук туруктуулугуна жана циклдин өмүрүнө зыян келтирет. NMC 811 клеткалары 250 Вт/кгга жетет, бирок бир топ кылдат жылуулук башкарууну талап кылат.
Анод тарабында графит биринчи күндөн бери стандарт болуп калды. Теориялык кубаттуулугу 372 мАч/г, ал эми коммерциялык клеткалар адатта 340-360 мАч/г жетет. Литий заряддоо учурунда графен катмарларынын ортосунда аралашып, графиттин көлөмүн болжол менен 10% кеңейтет. Бул механикалык стресс кубаттуулуктун велосипед менен жүрүүсүнө өбөлгө түзөт.
Кремний аноддору болжол менен он беш жылдан бери "кийинки чоң нерсе" болуп калды. Кремнийдин теориялык кубаттуулугу 4200 мАч/г-графиттен он эсе көп. Маселе мынада, кремний литийди сиңиргенде 300% кеңейет. Бул бир нече циклден кийин анодду талкалайт. Учурдагы ыкмалар кеңейүүнү башкарууга мүмкүн болушунча кремний-контракттуу кремнийдин курамы 10%дан төмөн болгон графит аралашмаларын колдонушат. Ошого карабастан, биринчи-циклдин кайтарылгыс кубаттуулугун жоготуу кремний камтыган аноддордо 15-25%, таза графитте 5-10% түзөт.
Клетканын курулушу жана форматтары
Цилиндрлик клеткалар, балким, көпчүлүк адамдар "батарея" деп ойлогондо элестеткен нерсе. 18650 форматы (диаметри 18 мм, узундугу 65 мм) 2000-жылдардын башында ноутбук өндүрүүчүлөр аны стандартташтыргандан кийин кеңири тараган. Тесла алардын миңдегенин түпнуска Roadsterде колдонгон. Кадимки 18650 кубаттуулугу химияга жана энергияга же кубаттуулукка оптималдаштырганыңызга жараша 2000-3500 мАч иштейт.
Tesla жана Panasonic биргелешип иштеп чыккан 21700 жаңы форматы (21мм × 70мм) азыр 4000-5000 мАч клеткага 50% көбүрөөк энергияны сунуштайт. Чоңураак диаметр активдүү материалдын активдүү эмес компоненттерге болгон катышын жогорулатат (учурдагы коллекторлор, банка, коопсуздук приборлору), таңгак деңгээлинде энергия тыгыздыгын жакшыртат. Өндүрүштүк линияларды кайра иштетүү керек болчу, бул кабыл алуу бир аз убакытка созулган.
Призмалык клеткалар автомобиль өнөр жайынын мейкиндикти жакшыраак пайдалануу каалоосунан келип чыккан. Цилиндрлер менен кутучаны толтуруунун ордуна, сиз тик бурчтуу клеткаларды жасайсыз. Автоунаалардын-класстагы призматикалык клеткаларынын кубаттуулугу 20Ачтан 100Ачка чейин. Муздаткыч плиталарды түз капталдарына тике коюуга болот, анткени аларды таңгактоо жагынан термикалык-башкаруу оңой. Жаман жагы – жумурткаңыздын баары азыраак себеттерде-эгерде бир чоң призмалык клетка иштебей калса, кичинекей цилиндр формасындагы клетка иштебей калганга караганда көбүрөөк сыйымдуулугуңузду жоготосуз.
Капчактын клеткалары мейкиндикти эффективдүү пайдалануу идеясын андан ары металл банканы толугу менен жок кылуу менен кабыл алат. Клетка ийкемдүү алюминий-ламинат капка салынган. Бул призматикалык банкага салыштырмалуу салмагын 10-15% үнөмдөйт жана формат өтө ийкемдүү - аларды каалаган өлчөмдө же колдонмо талап кылган формада жасай аласыз. EV өндүрүүчүлөрү аларды жакшы көрүшөт, анткени сиз аларды муздаткыч плиталарга түз тизе аласыз. Алсыздыгы механикалык: велосипед тебүү учурунда электроддун деламинациясын болтурбоо үчүн аларга тышкы кысуу керек жана алар тешип бузулууга көбүрөөк дуушар болушат.
Сепаратор технологиясы
Бөлгүчкө көп көңүл бурулбайт, бирок бул коопсуздуктун эң маанилүү компоненти. Бул литий иондорунун өтүшүнө мүмкүндүк берип, анод менен катоддун тийип калуусунан сактаган жука (16-25 мкм адатта) көзөнөктүү мембрана. Алгачкы сепараторлор бир катмарлуу полиэтилен (ПЭ) же полипропилен (PP) болгон.
Заманбап жогорку{0}}өндүрүмдүүлүктөгү сепараторлор үч катмарлуу структураларды колдонушат, адатта PP/PE/PP. PE катмары PP (165 градус) караганда төмөн эрүү температурасына ээ (135 градус). Эгер клетка ысып баштаса, ПЭ эрип, тешикчелерди толтуруп, температура кооптуу деңгээлге жеткенге чейин иондук транспортту токтотот. Бул термикалык өчүрүү деп аталат жана бул сиздин термикалык качууга чейинки акыркы коргонуу сызыгыңыз.
Керамикалык{0}}капталган бөлгүчтөр дагы бир коопсуздук чегин кошот. Сепаратордун бир же эки тарабында глинозем же башка керамикалык бөлүкчөлөрдүн жука (2-4 мкм) каптоосу полимер эрип кетсе да структуралык бүтүндүгүн сактайт. Каптоо иондук транспортту улантуу үчүн жетиштүү көлөмдүү, бирок ал 150 градустан жогору температурада да электроддун кыска{7}} айлануусуна жол бербейт. Кемчилиги -керамикалык-капталган сепараторлордун баасы стандарттык сепараторлордун баасынан 2-3× иштейт жана бир аз жогорураак импеданс.
Көңүлдүүлүк адатта 40-50% түзөт. Өтө төмөн жана иондук каршылык күчөп, кубаттуулукту чектейт. Өтө жогору жана механикалык күч жабыркайт. Тешикчелердин көлөмүн бөлүштүрүү да маанилүү; Gurley саны (аба өткөргүчтүк сыноо) стандарттык спецификация болуп саналат. Көпчүлүк EV класстагы сепараторлор 200-400 секунд/100cc максаттуу.
Электролиттин курамы жана кошумчалары
Литий-иондук клеткадагы электролит сиз ойлогондон да татаал. Негизги формула, адатта, литий тузу-LiPF₆ (литий гексафторофосфат) 95%+ клеткаларда-органикалык карбонаттардын аралашмасында эриген. Жалпы эриткичтерге этилен карбонат (EC), диметилкарбонат (DMC), диэтил карбонат (DEC) жана этил метил карбонат (EMC) кирет.
LiPF₆ концентрациясы, адатта, 1,0 1,2 М (моляр) тегерегинде болот. Жогорку концентрация иондук өткөргүчтүктү бир чекитке чейин жакшыртат, бирок 1,3 М же андан жогору төмөн температурада туздуу жаан-чачынды ала баштайсыз. LiPF₆ -нымдуулукка{6}}сезимталдуу жана 60 градустан жогору - чирий баштайт, бирок LiBOB же LiFSI сыяктуу альтернативалар баасына же башка соодалоого байланыштуу аны алмаштыра элек.
Карбонаттын эриткич аралашмасы колдонууга ылайыкташтырылган. EC жогорку диэлектрдик өткөрүмдүүлүккө жана жакшы SEI-түзүүчү касиеттерге ээ, бирок ал 36 градуста тоңот. Төмөн температуранын иштеши үчүн-аны DMC же EMC сыяктуу төмөн-илешкектүү карбонаттар менен аралаштырышыңыз керек. Кадимки формула көлөмү боюнча EC:DMC 1:1 же EC:EMC 3:7 болушу мүмкүн. Так катыштар менчик жана тыкыр корголгон.
Кошумчалар чыныгы химия сыйкырдуу жерде болот. Заманбап электролиттерде SEI түзүлүшүн өзгөрткөн, ашыкча зарядданууну алдын алган, газдын пайда болушун басуучу же жогорку-температуранын туруктуулугун жакшыртуучу 2{2}}5% салмактагы түрдүү кошумчалар бар. Винилен карбонаты (VC) 1-2% графит аноддорунун SEI сапатын жакшыртуу үчүн дээрлик универсалдуу. Фторэтилен карбонаты (FEC) кремний камтыган аноддор үчүн жакшыраак иштейт. Бул кошулмалар биринчи заряддоо циклдеринде азайып, аноддо иондук өткөргүч, бирок электрондук изоляциялоочу коргоочу катмарды түзөт.
Бифенил же циклогексилбензол сыяктуу ашыкча заряддан коргоочу кошумчалар 4,5 В тегерегинде полимерлешип, чыңалуунун андан ары көтөрүлүшүнө жол бербөөчү ички шунтту жаратат. Эгер BMS иштебей калса, бул сизге бир аз коргоону берет, бирок ага таянуу дизайндын эң мыкты тажрыйбасы эмес.
Катуу электролиттин интерфейсинин пайда болушу
SEI, балким, литий-иондук батарейканын иштешинин эң аз түшүнүлгөн, бирок эң маанилүү аспектиси. Биринчи бир нече заряддоо циклдеринде электролит компоненттери аноддун бети менен реакцияга түшүп, пассивация катмарын түзөт. Бул катмар абдан маанилүү: ал иондук өткөргүч (литий иондорунун өтүшү үчүн) болушу керек, бирок электрондук изоляциялоочу (электролиттин андан ары ажыроосунун алдын алуу үчүн). SEI курамы 10-100 нм калың катмарда аралашкан ондогон литий туздары, органикалык бирикмелер жана полимерлердин башаламандыгы-.
Жакшы SEI түзүлүшү 500 жолу айлануучу клетка менен 3000 жолу айлануучу клетканын ортосундагы айырма. Көйгөй SEI статикалык эмес. Ал аноддун көлөмүнүн өзгөрүшү учурунда жарака кетип, зыянды оңдоо үчүн электролит менен литийди көбүрөөк керектеген жаңы бетти ачып берет. Ушундан улам, сиз клеткага жумшак мамиле кылганыңызда да, сыйымдуулук велосипед тебүүдөн улам төмөндөйт.
Formation Cycling маанилүү өндүрүштүк кадам болуп саналат. Клеткалар баштапкы SEI түзүү үчүн контролдонуучу температураларда бир же бир нече жай заряд{1}}разряддан өтүшөт. Түзүү протоколдору менчик болуп саналат, бирок биринчи{3}}циклдын заряддоо ылдамдыгы C/20дан C/10го чейин болот жана процесс 24-48 саатка созулушу мүмкүн. Өндүрүүчүлөр мүмкүн болушунча туруктуу SEI өндүрүү үчүн калыптануу чыңалуу чегин, температураны, эс алуу мезгилин жана велосипед тебүү схемаларын оптималдаштырат. Бул туура эмес кабыл алуу сиздин цикл өмүрүңүздү талап кылат.
Клетка ошол жерде отурганда да-календардын эскирүү жөндөмдүүлүгүнүн жоголушу- негизинен SEI көрүнүшү болуп саналат. SEI циклге жарамдуу литийди керектөө менен ачык схемада жай өсүүнү улантууда. Жогорку зарядда жана жогорку температурада сактоо муну тездетет. 100% SOC жана 60 градуста сакталган клетка бир жылда 20% сыйымдуулугун жоготсо, 50% SOC жана 25 градуста сакталган клетка 3% жоготушу мүмкүн.
Заряддоо протоколдору жана батареяны башкаруу
Литий-иондук клеткалар ашыкча заряддоого, ашыкча разрядга-жана ылайыксыз температурада кубаттоого сезгич болушат. Мына ошондуктан ар бир көп клеткалуу батарея топтомуна BMS (батареяны башкаруу системасы) керек.
Стандарттык кубаттоо ыкмасы туруктуу ток/туруктуу чыңалуу (CC-CV). CC фазасында сиз клеткага токту белгиленген ылдамдыкта-көпчүлүк клеткалар үчүн адатта 0,5Стан 1Сге чейин түртөсүз, бирок кээ бир жогорку{5}}кубаттуу клеткалар 3C же андан көптү көтөрө алат. Клетка заряддалганда чыңалуу жогорулайт. Чыңалуу жогорку чекке жеткенде (көпчүлүк химия үчүн 4,2V, LFP үчүн 3,65V, кээ бир жогорку-энергиялык NMC варианттары үчүн 4,3V же 4,35V), сиз CV режимине өтөсүз. Клетка толук зарядга жакындаган сайын ток өчөт, адатта ток C/20 же C/50 төмөн түшкөндө үзүлөт.
Тез кубаттоо татаалыраак. Жогорку заряддын ылдамдыгы аноддун литий капталышын тездетет, бул кооптуу-металлдык литий жогорку реактивдүү жана сепаратордун ичине кирип кеткен дендриттин пайда болушуна алып келиши мүмкүн. Коопсуз тез-заряддоо үчүн чыңалуунун, токтун жана температуранын литий каптоо шарттарына кандай таасир тийгизерин түшүнүшүңүз керек.
Маселе сиз литий каптоосун мөөр басылган клеткада түздөн-түз өлчөй албайсыз. Сиз аны башка сигналдардан чыгарышыңыз керек. Бир ыкма анод потенциалына литий металлынын шилтемесин байкоо болуп саналат. Эгерде аноддун потенциалы Li/Li⁺ге караганда 0Вдан төмөн болсо, анда каптоо пайда болот. Маселе, көпчүлүк коммерциялык клеткаларда шилтеме электроддор жок.
Температуранын жогорулашы тез кубаттоодо да маанилүү. 2C температурада кубатталып жаткан клетка активдүү муздатуу менен анын ички температурасы чөйрөдөн 15-20 градуска жогору көтөрүлүшү мүмкүн. Суук температурада бул чындыгында пайдалуу{8}}муздак клетканын (айталы, -10 градус) кубаттуулугу өтө начар, бирок аны орточо ылдамдыкта (0,5C) кубаттоо менен жылыта алсаңыз, анда өндүрүмдүүлүк жакшырат. Кээ бир EV унаалары муну атайын жасашат: суук аба ырайында алар айдоочу ылдамдатуу үчүн жогорку кубаттуулукту талап кылганга чейин батареяны жылытуу үчүн кыскача жогорку токтун заряд импульсун иштетишет.
Клетканын тең салмактуулугу зарыл, анткени катардагы клеткалар эч качан кемчиликсиз дал келбейт. Өндүрүштүн толеранттуулугу, разряддын{1}}кичинекей айырмачылыктары жана топтомдогу жылуулук градиенттери чыңалууга алып келет. Эгер сиз сериялык сапты тең салмаксыз заряддасаңыз, кээ бир клеткалар башкаларынан мурун жогорку чыңалуу чегине жетет. Күчтүү клеткалар аз заряддалып, алсыз клеткалар ашыкча заряддалып, иштөө начарлайт.
Пассивдүү баланстоо резисторлорду-жогорку чыңалуудагы клеткалардан энергияны чыгарып салуу үчүн колдонот. Бул жөнөкөй жана арзан, бирок жылуулук катары энергияны текке кетирет. Активдүү баланстоо энергияны жогорку клеткалардан төмөнкү клеткаларга өткөрүү үчүн DC-DC өзгөрткүчтөрүн же конденсаторлорду колдонот. Эффективдүү, татаалыраак, кымбатыраак. 400V EV таңгагы үчүн пассивдүү баланстоо 50-100Вт үзгүлтүксүз текке кетиши мүмкүн, бул айдоо күчү менен салыштырганда анча деле эмес, бирок убакыттын өтүшү менен кошулат.
Жылуулукту башкаруу боюнча ойлор
Литий-иондук клеткада жылуулуктун пайда болушу үч булактан келип чыгат: кайтарылгыс жылуулук (ички каршылыктан джоуль жылытуу), кайтуучу жылуулук (электрохимиялык реакциянын энтропиясынын өзгөрүшү) жана каптал реакциялардан келген жылуулук. Төмөн жана орточо C-температураларда кайтуучу жылуулук үстөмдүк кылат. Жогорку C-температурада кайра кайтарылгыс жылуулук ээлейт.
Кайтарма жылуулук термини кызыктуу, анткени ал SOCка жараша белгини өзгөртөт. Көпчүлүк литий-иондук химиялар үчүн заряддоо аз SOCда жылуулукту жаратат, бирок жогорку SOCде жылуулукту өзүнө сиңирип алат. Заряддоо тескерисинче кылат. Кроссовер чекити адатта SOC 50-60% түзөт. Ушундан улам, заряддын акыркы фазасында, эгерде ток жетишерлик төмөн болсо, клетканын температурасынын төмөндөшүн көрө аласыз.
Ички каршылык температура, SOC жана карылык менен өзгөрөт. 25 градуста жаңы 18650 клетка 40-60 миллиом туруктуу токтун каршылыгына ээ болушу мүмкүн. -20 градуста 200-300 миллиомго чейин секирип кетиши мүмкүн. Ушундан улам суук аба ырайында EV диапазону кескин төмөндөйт. Төмөн температурада химия жайыраак гана болбостон, ички каршылыктын жогорулашы батареянын энергиясынын көбү клетканын ичиндеги жылуулук катары текке кетет дегенди билдирет.
Термикалык качуу босогосу химиядан көз каранды. NMC клеткалары үчүн экзотермикалык ажыроо реакциялары 180-220 градустан башталат. Башталгандан кийин, температура секундасына 10-50 градуска чейин көтөрүлүп, 800 градуска же андан жогору болушу мүмкүн. LFP алда канча коопсуз; термикалык качуу башталышы 270 градус + жана жеткен максималдуу температура төмөн.
Пакеттеги клеткалардын ортосунда көбөйүү – бул чыныгы коркунуч. Эгерде бир клетка термикалык жактан качып кетсе, ал кошуналарын жылытат. Коңшу клеткалардын да качып кетүүсү муздатуу мүмкүнчүлүгүнө, клетка аралыктарына жана изоляциясына көз каранды. UL 9540A таралуу тести муну бир клетканы термикалык качууга мажбурлоо жана чектеш клеткалардын артынан ээрчип же жокпу көзөмөлдөө аркылуу окшоштурат. Жакшы пакет дизайны бир клетканын же эң көп дегенде кичинекей модулдун иштебей калышын камтыйт.
Муздатуу стратегиялары ар кандай. Аба муздатуу эң жөнөкөй{1}}клеткалардын же пакеттердин үстүнөн абаны үйлөтүү. PHEV же энергия сактоо тутумдары сыяктуу кубаттуулугу төмөн колдонмолор үчүн жакшы иштейт. Суюк муздатуу жогорку-өндүрүмдүүлүктөгү EV унаалар үчүн керек. Көпчүлүк конструкцияларда муздак плиталар же муздатуу каналдары аркылуу мүнөтүнө 10-25 литр 50:50 суу-гликол аралашмасы колдонулат. Кирүүчү температура адатта 20-35 градуска чейин көзөмөлдөнөт. Эң ысык клеткалардын тез картаюусуна жол бербөө үчүн батарея таңгагынын температура градиенттери максимум 5 градустан төмөн болушу керек.
Кээ бир эксперименталдык конструкцияларда муздаткычты муздатуу, диэлектрдик суюктукка чөмүлүү менен муздатуу же фазалык{0}}материалдар колдонулат. Муздаткыч муздатуу көбүрөөк жылуулукту чыгарышы мүмкүн, бирок татаалыраак AC тутумун талап кылат. Иммерциялык муздатуу жылуулук өткөрүүнүн эң сонун коэффициенттерине ээ (кыйыр суюктук муздатуу үчүн 500-2000 Вт/м²Кга каршы 50-150 Вт/м²К), бирок мөөр басуу жана суюктуктун шайкештиги кыйынчылык жаратат. PCMs пассивдүү иштешет, бирок акырында сакталган жылуулукту четке кагуу керек, ошондуктан алар негизинен тез кубаттоо же катуу ылдамдатуу учурунда убактылуу муздатууга жардам берет.
Өндүрүмдүүлүктүн начарлашы жана бузулуу режимдери
Кубаттуулуктун төмөндөшү жана импеданстын өсүшү эки негизги деградация механизми болуп саналат. Алар бир эле учурда болуп жаткан бир нече физикалык жана химиялык процесстер менен шартталган.
Анод тарапта, SEI өсүшү cyclable литий жана электролит керектөө, каршылык жогорулатуу. Графиттин эксфолиациясы, эгерде клетка интеркалациялануунун ордуна графиттин бетине-төмөнкү температурада литий пластинкаларында заряддалса, ал акырында интеркалацияланганда графиттин структурасын бузуп салса, пайда болушу мүмкүн. Бул көп учурда кайтарылгыс болуп саналат. Биндердин жогорку температурада бузулушу бөлүкчөлөрдүн ортосундагы электрдик байланышты жоготот.
Катоддун деградациясына өткөөл металлдардын эриши (айрыкча LMOдагы марганец же марганец-курамында NMC), литийди кайра-кайра киргизүүдөн/экстракциялоодон структуралык өзгөрүүлөр жана жогорку-никельдик катоддордо беттик реконструкция кирет. Эриген өткөөл металлдар анодго көчүп, анда SEI өсүшүн катализдешет, ошондуктан катоддун деградациясы кыйыр түрдө аноддун деградациясын тездетет.
Электролиттин ажыроосу жана газдын пайда болушу жогорку чыңалууда жана жогорку температурада чоң көйгөй болуп саналат. Кадимки газдарга CO₂, СО жана карбонаттын ажыроосунан ар кандай углеводороддор кирет. Капчыктын клеткаларында баштыктын көрүнөө шишип кеткенин көрөсүз. Катуу корпустары бар цилиндрдик же призматикалык клеткаларда коопсуздук вентилятору ачылганга чейин басым күчөйт (адатта 10-15 барда).
Литий инвентаризациясын жоготуу негизги өчүп калуу механизми болуп саналат. SEI өскөн сайын же аноддо литий пластинкалары кайтарылгыс болуп калганда, бир аз литий циклдүү литийдин бассейнинен чыгарылат. Акыры түгөнүп, сыйымдуулугу төмөндөйт.
ички шорты капысынан бузулуулар болушу мүмкүн. Көпчүлүк шорттар кичине-башталып, кичинекей металл бөлүкчөлөрү сепараторду тешип, же литий дендрити өсүп чыгат. Кыска ысык чекитти жаратат, ал жергиликтүү деңгээлде деградацияны тездетет, бул кысканы начарлатат жана сиз оң пикир алмашуу циклин аласыз. Кээде кыска эритип-өзү ачылса, клетка өзүн-өзү айыктырат. Башка учурларда ал термикалык качууга өтөт.
Тырмактын өтүү тесттери (болот мыкты заряддалган клетка аркылуу мажбурлоо) стандарттык кыянаттык сыноо болуп саналат. LFP клеткалары, адатта, тырмак киришинен термикалык качууга кирбейт. NMC клеткалары көбүнчө жакшыраак сепараторлор жана төмөнкү өзгөчө энергиялуу конструкциялар кээде өтүп кетиши мүмкүн.
5-сүрөт орточо цикл шарттарында бир нече химия үчүн циклдин санына каршы кубаттуулукту сактоонун сюжеттерин көрсөтөт (1С заряд/разряд, 25 градус, 100% DOD).
Айыптоо абалы жана ден соолуктун абалы
Литий-иондук клеткада канча энергия бар экенин түздөн-түз өлчөй албайсыз. Сиз аны башка өлчөөлөрдөн баалашыңыз керек: чыңалуу, ток жана температура.
Эң жөнөкөй SOC баалоо ыкмасы чыңалууга- негизделген. Ар бир химиянын мүнөздүү ачык чынжыр чыңалууга каршы SOC ийри сызыгы бар. Клетка бир аз эс алгандан кийин чыңалууну өлчөңүз (ички каршылыктын бузулушунан убактылуу чыңалуунун төмөндөшүнө жол берүү үчүн), аны OCV ийри сызыгынан издеңиз жана сиз SOC билесиз. Көйгөй, сизде клетканын реалдуу тиркемелерде эс алганга убактысы чанда гана болот.
Кулондук эсептөө стандарттык ыкма болуп саналат. Убакыттын өтүшү менен сиз зарядды киргизүү жана чыгарууну көзөмөлдөө үчүн учурдагыны бириктиресиз. Эгер сиз белгилүү SOCдан баштасаңыз, жаңы SOCти каалаган убакта эсептей аласыз. Тактык учурдагы сенсоруңуздан көз каранды (±0,5% типтүү) жана чыныгы кубаттуулукту билүү. Каталар убакыттын өтүшү менен чогулат, андыктан толук заряддоо же разряд циклин аткаруу менен мезгил-мезгили менен калибрлөө керек.
Моделдин{0}}негизделген ыкмалары эквиваленттүү схема моделин же клетканын электрохимиялык моделин колдонот. Сиз терминалдын чыңалуусун жана токту өлчөйсүз, аларды моделиңиз аркылуу иштетесиз жана ички абалды, анын ичинде SOC да чыгарып аласыз. Кеңейтилген Калман чыпкалары же ушул сыяктуу мамлекеттик байкоочулар кеңири таралган. Бул ыкмалар абдан так болушу мүмкүн (±2% SOC катасы), бирок жакшы моделдерди жана олуттуу эсептөө ресурстарын талап кылат.
SOH баалоо кыйыныраак, анткени сиз деградацияны сандык эсептөөгө аракет кылып жатасыз, ал жай жана акырындык менен. Кубаттуулуктун төмөндөшү жана импеданстын өсүшү сөзсүз түрдө бири-бири менен же циклдин саны менен сызыктуу түрдө корреляцияланбайт. Тез{2}}көп заряддалган клетканын импеданстары жогору болушу мүмкүн, бирок кубаттуулугу орточо гана өчөт. Жогорку SOC/температурада сакталган клетканын кубаттуулугу кыйла төмөндөп, бирок импеданстын өсүшү салыштырмалуу төмөн болушу мүмкүн.
Өнөр жай практикасы кубаттуулуктун негизинде SOH аныктоо болуп саналат: анын баштапкы сыйымдуулугунун 80% болгон уяча 80% SOH болуп саналат жана бул көбүнчө EV колдонмолору үчүн -турмуштун акыры- деп эсептелет. Клетка дагы эле иштейт, бирок диапазон 20% кыскарды. Энергия сактоо колдонмолору үчүн клеткалар 60-70% SOH чейин колдонулушу мүмкүн.
Кээ бир BMSтер мезгил-мезгили менен кубаттуулукту текшерип турат-батареяны аз ылдамдыкта толук кубаттап, канча энергия чыгаарын өлчөйт. Бул так, бирок интрузивдүү (тест учурунда батарея жеткиликсиз) жана бир нече саатты талап кылат. Башка ыкмалар кубаттуулукту кыйыр түрдө чыңалуу ийри сызыктарынан, импеданс өлчөөлөрүнөн же кулондук эффективдүүлүктөн баалоого аракет кылышат.
Ички каршылыкты токтун импульсун колдонуу жана чыңалуу жоопторун өлчөө жолу менен же ар кандай жыштыктарда кичинекей AC сигналын инъекциялоо аркылуу өлчөөгө болот (электрохимиялык импеданс спектроскопиясы). EIS көбүрөөк маалымат берет, бирок коммерциялык BMSтерде сейрек кездешкен атайын жабдыктарды талап кылат.
Экинчи-Life колдонмолору жана кайра иштетүү
Электр унаасынын батареясы{0}}колдонуу мөөнөтү аяктаганда (адатта, баштапкы кубаттуулуктун 70-80% түзөт), ал азыраак талап кылынган колдонмолор үчүн эң сонун иштейт. Стационардык энергияны сактоо үчүн батареянын экинчи өмүрүн колдонуу күч алууда.
Экономика татаал. Сиз отставкадагы пакетти сынап, аны кайра жасап чыгарууга (BMSди, муздатуу системасын же бузулган модулдарды алмаштырууга), аны жаңы колдонмо үчүн тастыктоого жана кепилдик берүүгө туура келет. Мунун баары акча талап кылат. Экинчи -өмүр мааниси болушу үчүн, жаңыланган таңгак стационардык колдонмо үчүн иштелип чыккан жаңы таңгактан бир топ арзаныраак болушу керек. Оңдоп-түзөө жаңы таңгак наркынын 40-50% дан азыраак болсо дагы, сиз кимдин анализине ишенесиз.
Эскирген клеткаларды сыноо-анчалык деле эмес. Модуль катар-параллелдүү жүздөгөн клеткаларды камтышы мүмкүн. Аларды жекече сынай албайсыз. Сиз модулду бирдик катары сынап көрсөңүз болот, бирок бир жаман клетка өзүн маскара алат. Кээ бир деградация режимдерин кыйратуучу сыноосуз аныктоо кыйын. Жоопкерчилик маселеси дагы бар: эгер экинчи-батарея күйүп кетсе, ким жооп берет?
Кайра иштетүү – бул жашоонун-соңку аягы-. Учурдагы чоң{3}}масштабдагы кайра иштетүүдө пирометаллургия (эритүү) же гидрометаллургия (химиялык эритүү) колдонулат. Пирометаллургия жөнөкөй, бирок азыраак тандалма-сиз андан ары тазалоону талап кылган аралаш металл эритмелерин аласыз. Гидрометаллургия жогорку тазалыкта айрым металлдарды калыбына келтире алат, бирок көбүрөөк кадамдарды талап кылат жана химиялык калдыктарды пайда кылат.
Кайра иштетүүнүн экономикасы металлдын баасынан көз каранды. Кобальт баалуу (тарыхый жактан болжол менен $30-40/кг, бирок баалар кескин өзгөрүп турат), андыктан кобальт{5}}бай химияларды кайра иштетүү экономикалык жактан пайдалуу. Никель масштабдуу түрдө кайра иштетүүгө арзыйт. Марганец, темир жана алюминий төмөн-баалуу металлдар, андыктан аларды кайра иштетүү, негизинен, аларды полигондордон алыс кармоо үчүн мааниси бар. Литий кызыктуу - бул килограмм үчүн өзгөчө баалуу эмес, бирок жеткирүү чектөөлөрү калыбына келтирүүнү жагымдуу кылат.
Түздөн-түз кайра иштетүү-батареяны демонтаждоо жана катод же анод материалын металл туздарына чейин ыдыратпастан кайра колдонуу- изилдөөнүн кызуу чөйрөсү. Эгер сиз катод порошокун жарактуу формада калыбына келтире алсаңыз, сиз энергияны жана катод синтезинин баасын үнөмдөйсүз. Кыйынчылыктарга активдүү материалды учурдагы жыйноочулардан жана бириктиргичтерден бөлүү жана кайра иштетилген материал ар түрдүү өндүрүүчүлөрдүн, курактагы жана химиядагы клеткалардын аралашмасы экендигин чечүү кирет.
