ظرفیت باتری‌های لیتیوم یونی با گذشت زمان چقدر کاهش می‌یابد؟

اگر تا به حال یک اسکوتر برقی با کارایی بالا، یک سیستم ذخیره انرژی قوی برای کابین خارج از شبکه خود یا یک قطعه تجهیزات صنعتی پر انرژی خریداری کرده اید، به احتمال زیاد به باتری های لیتیوم یونی برای کارکردن آن اعتماد کرده اید. به عنوان یک تامین کننده با سال ها تجربه کار باباتری لیتیوم یونی 60 ولت 30 ساعت،باتری لیتیوم 80 ولتو دیگر مدل‌های سفارشی، تعداد مشتریانی که با یک سوال مشابه شروع به مکالمه می‌کنند، از دست داده‌ام: «چرا باتری من نسبت به زمانی که برای اولین بار آن را خریدم، شارژ کمتری نگه می‌دارد؟» این یک مسئله ناامید کننده و جهانی است و ریشه در شیمی اساسی نحوه عملکرد باتری های لیتیوم یونی و نحوه استفاده ما از آنها در طول زمان دارد.

کاهش ظرفیت، کاهش آهسته توانایی باتری برای ذخیره و تحویل انرژی الکتریکی، نقصی منحصر به فرد در فناوری یون لیتیوم نیست، اما برای هر کسی که برای عملکرد ثابت به این باتری‌ها تکیه می‌کند، عاملی حیاتی است. برخلاف باتری‌های سرب اسیدی که به‌طور ناگهانی از کار می‌افتند، باتری‌های لیتیوم یونی به تدریج تحلیل می‌روند، بنابراین ممکن است در ابتدا متوجه کاهش آهسته ظرفیت نشوید—تا زمانی که موتورسیکلت برقی شما با شارژ به جای ۳۰ مایل فقط ۲۰ مایل را طی کند یا سیستم برق پشتیبان شما نصف مدت زمانی که یک سال پیش کار می‌کرد کار کند. درک اینکه چه چیزی باعث این تنزل می شود برای ما به عنوان یک تامین کننده فقط علمی نیست. به ما کمک می کند تا به مشتریان در مورد چگونگی به حداکثر رساندن طول عمر باتری خود آموزش دهیم و نحوه طراحی و آزمایش مدل هایی را که ارائه می کنیم، از مدل های فشرده شکل می دهد.باتری لیتیوم یون 8 Ahبرای ابزارهای برقی قابل حمل برای کارهای سنگینباتری لیتیوم یونی 300 ساعتبرای ذخیره سازی در مقیاس شبکه

برای رسیدن به ریشه کاهش ظرفیت، بیایید با نحوه عملکرد یک باتری لیتیوم یونی در هسته خود شروع کنیم. در داخل هر باتری لیتیوم یونی، دو الکترود وجود دارد: یک کاتد مثبت (معمولاً از اکسید فلز لیتیوم، مانند اکسید لیتیوم کبالت یا فسفات آهن لیتیوم) و یک آند منفی که معمولاً از گرافیت ساخته شده است. این الکترودها توسط یک غشای متخلخل نازک از هم جدا می شوند و در یک الکترولیت مایع یا ژل غوطه ور می شوند که به یون های لیتیوم اجازه می دهد بین دو طرف به عقب و جلو حرکت کنند. هنگامی که باتری را شارژ می کنید، یون های لیتیوم از کاتد خارج می شوند، از طریق الکترولیت و غشاء حرکت می کنند و خود را در آند گرافیت جاسازی می کنند. وقتی تخلیه می‌کنید، روند معکوس می‌شود: یون‌های لیتیوم به کاتد برمی‌گردند و انرژی را آزاد می‌کنند که دستگاه شما را تغذیه می‌کند.

این رقص یون‌ها ساده به نظر می‌رسد، اما در طی صدها چرخه شارژ و دشارژ، تغییرات کوچک و تجمعی در باتری اتفاق می‌افتد که سرعت آن را کاهش می‌دهد و میزان شارژ را کاهش می‌دهد. این تغییرات به چند دسته کلیدی تقسیم می شوند و اغلب تحت تأثیر نحوه استفاده و مراقبت شما از باتری قرار می گیرند. بیایید آنها را یکی یکی با نمونه هایی که به باتری هایی که عرضه می کنیم گره خورده است، تجزیه کنیم.

اول، فراگیرترین علت تخریب، تشکیل فاز اینترفاز جامد الکترولیت یا به اختصار SEI است. هنگامی که یک باتری لیتیوم یونی برای اولین بار شارژ می شود، مقدار کمی از الکترولیت روی سطح آند تجزیه می شود و یک لایه نازک و جامد تشکیل می دهد که ذرات گرافیت را می پوشاند. SEI بسیار مهم است: یون قابل نفوذ است، بنابراین اجازه می دهد یون های لیتیوم از آند عبور کنند، اما از واکنش های ناخواسته بیشتر بین الکترولیت و آند که می تواند به باتری آسیب برساند، جلوگیری می کند. مشکل این است که این لایه ثابت نیست. هر بار که باتری شارژ و دشارژ می شود، به جای حرکت آزادانه بین الکترودها، مقدار کمی لیتیوم در لایه SEI به دام می افتد. با گذشت زمان، این لیتیوم به دام افتاده اضافه می شود و کمتر در دسترس برای تغذیه دستگاه شما باقی می ماند. برای یک کوچکباتری لیتیوم یونی 24v20hبرای یک تراکتور چمن، این بدان معناست که پس از 500 چرخه کامل، ممکن است شاهد کاهش 10 درصدی ظرفیت باشید - چیزی که بسیاری از مشتریان متوجه می شوند زمانی که ماشین چمن زنی آنها فقط می تواند نیمی از حیاط را قبل از نیاز به شارژ کردن برش دهد.

دومین عامل بزرگ، تخریب کاتد است. کاتد منبع یون های لیتیوم است که باعث کارکرد باتری می شود و به اندازه آند مستعد سایش است. در طول چرخه، ذرات ریز تشکیل دهنده کاتد می توانند ترک بخورند یا از هم جدا شوند. چرا؟ حرکت یون های لیتیوم به داخل و خارج از کاتد باعث می شود که مواد با هر بار شارژ کمی منبسط و منقبض شوند. پس از هزاران چرخه، آن انبساط و انقباض مکرر ساختار کاتد را ضعیف می‌کند و باعث شکافتن ذرات می‌شود. وقتی این اتفاق می‌افتد، مقداری از لیتیوم دیگر در دسترس نیست - در داخل ذرات شکسته به دام افتاده است و نمی‌تواند در طول شارژ به آند حرکت کند. برای باتری های ولتاژ بالا مانند ماباتری لیتیوم 80 ولتکه تجهیزات سنگین ساختمانی را نیرو می دهد، این نوع تخریب توسط بارهای ولتاژ بالا و جریان بالا تسریع می شود. اپراتورها اغلب این باتری‌ها را با ظرفیت تقریباً کامل برای مدت طولانی کار می‌کنند، که سرعت فرسودگی کاتد را افزایش می‌دهد – بنابراین یک شرکت ساختمانی ممکن است بعد از 300 چرخه شروع به کاهش 15 درصدی ظرفیت کند، در حالی که یک باتری استفاده اوقات فراغت ممکن است قبل از رسیدن به آن نقطه، 500 چرخه دوام بیاورد.

یکی دیگر از مقصرهای رایج آبکاری لیتیوم است. این مشکلی است که وقتی باتری ها خیلی سریع شارژ می شوند، به خصوص در دماهای سرد ظاهر می شود. در شرایط عادی شارژ، یون های لیتیوم از کاتد به آند حرکت می کنند و خود را در ساختار گرافیت جاسازی می کنند. اما اگر باتری را سریعتر از زمانی که یون ها می توانند حرکت کنند شارژ کنید، یا اگر باتری خیلی سرد باشد، یون ها به سختی جاسازی می شوند. در عوض، رسوبات ریز و فلزی لیتیوم را روی سطح آند تشکیل می دهند. با گذشت زمان، این رسوبات می توانند به ساختارهای سوزنی مانندی به نام دندریت تبدیل شوند که جداکننده بین آند و کاتد را سوراخ می کند و باعث اتصال کوتاه می شود. با این حال، حتی آبکاری لیتیوم کوچکتر فقط باعث ایجاد خطرات ایمنی نمی شود - لیتیوم موجود را از بین می برد و منجر به از دست دادن ظرفیت دائمی می شود. برای مشتریانی که از ما استفاده می کنندباتری لیتیوم یونی 60 ولت 30 ساعتبرای دوچرخه های برقی، اگر دوچرخه خود را در گاراژی شارژ کنند که در طول زمستان به 30 درجه فارنهایت یا کمتر می رسد، این یک مشکل مکرر است. بیش از چند مشتری داشته‌ام که برگشته‌اند و گفته‌اند باتری آن‌ها که قبلاً در عرض 2 ساعت به طور کامل شارژ می‌شد، اکنون 4 شارژ می‌گیرد و فقط 80 درصد شارژ خود را نگه می‌دارد – که ریشه در آبکاری لیتیومی از شارژ سریع سرد دارد.

عوامل خارجی نیز نقش زیادی در سرعت تحلیل رفتن باتری ایفا می کنند و اینها اغلب در کنترل کاربر است. دما بزرگترین است. باتری های لیتیوم یونی در محیط های ملایم و با دمای اتاق، بین 20 تا 25 درجه سانتی گراد (68 درجه فارنهایت تا 77 درجه فارنهایت) شادترین هستند. اگر باتری بیش از حد داغ شود - مانند نشستن در یک ماشین دربسته که در تمام تابستان زیر نور مستقیم خورشید پارک شده است، یا برای تامین انرژی دستگاهی که ساعت‌ها در حال کار است استفاده می‌شود - واکنش‌های شیمیایی داخل آن به طرز چشمگیری سرعت می‌گیرد و تشکیل SEI، سایش کاتد و آبکاری لیتیوم را تسریع می‌کند. از طرف دیگر، باقی ماندن باتری در سرمای شدید، بدون استفاده، برای مدت طولانی نیز می تواند به آن آسیب برساند. من همیشه به مشتریانی که باتری یدکی برای RV یا قایق خود دارند توصیه می‌کنم آن را با شارژ حدود 50 درصد در مکانی خشک و خنک نگهداری کنند، به جای اینکه اجازه دهند ماه‌ها کاملاً شارژ یا کاملاً تخلیه شود. یک باتری کاملاً تخلیه شده ممکن است از خوردگی آند رنج ببرد، در حالی که باتری کاملاً شارژ شده در گرما بسیار سریعتر از یک بار شارژ شدن در نیم شارژ تخریب می شود.

عمق تخلیه (DoD) یکی دیگر از عوامل کلیدی است. عمق دشارژ به این اشاره دارد که قبل از شارژ مجدد، چه مقدار از ظرفیت کل باتری را مصرف می کنید. به عنوان مثال، اگر شماباتری لیتیوم یونی 300 ساعتبرای تامین انرژی یک سیستم ذخیره‌سازی خورشیدی استفاده می‌شود، و شما فقط از 150 ساعت در روز استفاده می‌کنید، که 50٪ DoD است. اگر آن را تا 30 ساعت تخلیه کنید، 90٪ DoD است. قاعده کلی این است: هر چه باتری خود را عمیق‌تر تخلیه کنید، سریع‌تر تحلیل می‌رود. هر بار که باتری را 100% از حالت پر به خالی چرخانید، فشار بیشتری به آند و کاتد وارد می کنید تا تخلیه کم عمق. برای مشتریانی که از باتری‌های خود برای کاربردهایی مانند دستگاه‌های پزشکی یا برق پشتیبان استفاده می‌کنند، جایی که قابلیت اطمینان غیرقابل مذاکره است، این به معنای برنامه‌ریزی مصرف انرژی برای جلوگیری از تخلیه عمیق در صورت امکان است. ما باتری‌های خود را با در نظر گرفتن این موضوع طراحی می‌کنیم و مدارهای حفاظتی را ایجاد می‌کنیم که از تخلیه بیش از حد جلوگیری می‌کند، اما همچنان با مشتریان همکاری نزدیک داریم تا به آنها کمک کنیم الگوهای استفاده خود را برای افزایش عمر باتری تنظیم کنند.

شمارش چرخه معیار ساده‌تری برای درک است، و اغلب آن چیزی است که در برگه‌های داده باتری به عنوان طول عمر باتری ذکر شده است. یک چرخه به عنوان یک بار تخلیه و شارژ مجدد به حساب می آید - اما توجه به این نکته مهم است که یک چرخه فقط باتری را از 100٪ به 0٪ تخلیه نمی کند. برای مثال، دو دشارژ 50 درصدی (هر بار با استفاده از 50 درصد ظرفیت باتری) نیز به یک سیکل کامل اضافه می شود. اکثر باتری های لیتیوم یونی بسته به ترکیب شیمیایی و نحوه استفاده، پس از 500 تا 1500 چرخه کامل، حدود 80 درصد از ظرفیت اولیه خود را حفظ می کنند. باتری‌های لیتیوم آهن فسفات (LFP) که ما برای بسیاری از مدل‌های ذخیره‌سازی ثابت خود استفاده می‌کنیم، نسبت به مواد شیمیایی نیکل-کبالت-آلومینیوم (NCA) یا نیکل-منگنز-کبالت (NMC) که در وسایل نقلیه برقی و قابل حمل معمول هستند، عمر طولانی‌تری دارند - اغلب 2000 چرخه یا بیشتر. ماباتری لیتیوم یون 8 Ahبه عنوان مثال، برای ابزارهای برقی، از شیمی NMC استفاده می کند، که برای مدیریت تخلیه جریان بالا برای دوره های کوتاه طراحی شده است، و برای 800 سیکل تا 80 درصد ظرفیت رتبه بندی شده است.

شایان ذکر است که تخریب تدریجی است و تمام افت ظرفیت دائمی نیست. گاهی اوقات، چیزی که به نظر می رسد یک باتری ضعیف است، به درستی استفاده نمی شود. برای مثال، باتری‌ای که ماه‌ها بدون استفاده می‌ماند، ممکن است به دلیل تخلیه خود به طور موقت ظرفیتش کاهش یابد. باتری های لیتیوم یونی با سرعتی در حدود 2 تا 3 درصد در ماه تخلیه می شوند، اما اگر به طور کامل دشارژ ذخیره شوند، این تخلیه خود به خود می تواند منجر به خوردگی آند شود، که یک از دست دادن دائمی است. یک شارژ سریع و کامل پس از ذخیره سازی گاهی اوقات می تواند آن افت ظرفیت موقت را بازیابی کند.

به عنوان یک تامین کننده باتری، وظیفه ما فقط فروش باتری به شما نیست، بلکه این است که مطمئن شویم باتری تا زمانی که ممکن است به خوبی کار می کند. ما سال‌ها وقت صرف کرده‌ایم تا مدل‌های خود را از مدل‌های فشرده آزمایش کنیمباتری لیتیوم یونی 24v20hبرای چرخ دستی های گلف با قدرت بالاباتری لیتیوم یونی 60 ولت 30 ساعتبرای موتورسیکلت های الکتریکی، برای درک اینکه چگونه الگوهای استفاده مختلف بر تخریب تأثیر می گذارد. ما راهنماهای مراقبت دقیق را با هر محموله شامل می‌کنیم، به مشتریان در مورد دمای شارژ ایده‌آل، سطوح توصیه‌شده وزارت دفاع و نکات ذخیره‌سازی توصیه می‌کنیم. برای مشتریانی که ناوگان باتری‌های بزرگ‌تری دارند، مانند شرکت‌های ساختمانی یا نصاب‌های خورشیدی، پشتیبانی سفارشی ارائه می‌کنیم تا به آنها کمک کنیم زیرساخت شارژ را راه‌اندازی کنند که تخریب را به حداقل می‌رساند و هزینه‌های نگهداری و تعویض طولانی‌مدت آنها را کاهش می‌دهد.

در پایان، کاهش ظرفیت شکست فناوری یون لیتیوم نیست، بلکه بخشی طبیعی از نحوه عملکرد این باتری‌ها است و درک آن اولین قدم برای به دست آوردن حداکثر سود از سرمایه‌گذاری شما است. چه علاقه‌مند به دوچرخه برقی باشید، چه صاحب کسب‌وکاری که ناوگانی از تجهیزات جابجایی مواد را مدیریت می‌کند یا یک نصاب که یک سیستم خورشیدی مسکونی می‌سازد، دانستن اینکه چه چیزی باعث از دست دادن ظرفیت باتری شما می‌شود به شما کمک می‌کند عادت‌های خود را تنظیم کنید تا عمر آن را افزایش دهید. اگر به دنبال یک باتری لیتیوم یون قابل اعتماد، متناسب با کاربرد خاص خود هستید، و می خواهید در مورد چگونگی به حداکثر رساندن طول عمر آن بیشتر بدانید، امروز با تیم ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای خود صحبت کنید.

مراجع:

1. Scrosati, B., & Garche, J. (2010). باتری های لیتیومی: وضعیت، چشم انداز و آینده مجله منابع قدرت، 195 (9)، 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005). مکانیسم های پیری در باتری های لیتیوم یونی مجله منابع نیرو، 147(1-2)، 269-281.
3. لیو، دبلیو، کومار، وی، و چن، زی (2019). مروری بر مکانیسم‌های تخریب باتری لیتیوم یون و روش‌های برآورد وضعیت سلامت انرژی ها، 12(10)، 1905.
4. بلوم، آی.، کریستین، جی، جونز، اس.، باتاگلیا، وی اس، هنریکسن، جی، و جانسون، سی (2001). تجزیه و تحلیل ولتاژ دیفرانسیل سلول های لیتیوم یون پرقدرت 1. تکنیک و کاربرد. مجله منابع برق، 101 (2)، 238-245.