Litiumioonbatterye "genereer" nie regtig krag soos die meeste mense daaroor dink nie. Wat hulle doen is om elektriese energie te stoor deur omkeerbare elektrochemiese reaksies, en dit dan vry te stel wanneer die eksterne stroombaan stroom eis. Die verwarring hieroor kom baie na vore in ontwerpvergaderings, veral wanneer iemand vir die eerste keer probeer om 'n batterypak te grootte.
Twee dinge gebeur tydens ontslag. Eerstens migreer litiumione van die negatiewe elektrode (anode) deur die elektroliet en skeier na die positiewe elektrode (katode). Tweedens vloei elektrone deur die eksterne stroombaan van anode na katode, wat nuttige werk doen. Tydens laai keer jy die proses om deur 'n eksterne spanning toe te pas wat ione en elektrone dwing om in die teenoorgestelde rigting te beweeg.
Die spanning wat 'n sel produseer hang geheel en al af van die elektrodemateriaal wat jy kies en hul onderskeie elektrochemiese potensiale. 'n Vars sel wat sonder lading op die rak sit, sal sy oop-kringspanning- tipies rondom 3.6 tot 3.7V vir die meeste litiumioonchemieë wys, alhoewel hierdie getal rondbeweeg na gelang van die toestand van lading en temperatuur. Sodra jy 'n las verbind en begin stroom trek, daal die spanning as gevolg van interne weerstand. Hoeveel dit daal, vertel jou baie oor die sel se gesondheid.
Selchemie Grondbeginsels
Alle litiumioonselle deel dieselfde basiese werkingsbeginsel, maar chemie verskil baie. Die katodemateriaal bepaal grootliks die sel se werkverrigting-eienskappe-energiedigtheid, kragvermoë, sikluslewe, termiese stabiliteit en koste.
Gelaagde oksiedkatodes was die eerste kommersiële chemie. Sony het hulle in 1991 bekendgestel met LiCoO₂ (litiumkobaltoksied), wat steeds in verbruikerselektronika gebruik word waar energiedigtheid meer saak maak as koste of veiligheidsmarges. Hierdie selle pak rofweg 150-200 Wh/kg op selvlak. Kobalt is egter duur, en die chemie raak onstabiel bo 150 grade. Ons het gesien hoe termiese weghol begin by temperature so laag as 130 grade in mishandelde selle.
Die strewe na beter veiligheid en laer koste het gelei tot LiMn₂O₄ (litiummangaanoksied) in die middel-1990's. Mangaan is vuilgoedkoop en die spinelstruktuur is inherent meer stabiel. Hierdie selle sal nie weghardloop voordat jy gewoonlik verby 250 grade kom nie. Die afweging? Energiedigtheid daal tot 100-120 Wh/kg, en mangaan los mettertyd op in die elektroliet, veral by verhoogde temperature. Sikluslewe ly daaronder - jy kyk na miskien 300-700 siklusse voordat kapasiteit onder 80% daal.
LiFePO₄ (litium-ysterfosfaat) het omstreeks 2001 opgedaag en die veiligheidsgesprek verander. Die olivienstruktuur is termies rots--vast; termiese weghol kom nie voor tot bo 270 grade nie, en selfs dan is dit minder gewelddadig. Sikluslewe is uitstaande - 2,000+ siklusse tot 80% kapasiteit is standaard, en sommige selle is oor 5 000 siklusse getoets. Die nadeel is spanning: slegs 3.2V nominaal, en energiedigtheid is beperk tot 90-120 Wh/kg. Die fosfaatpatentsituasie was ook jare lank morsig.
NMC (litium nikkel mangaan kobaltoksied) en NCA (litium nikkel kobalt aluminiumoksied) het na vore gekom as die "gebalanseerde" chemie. Deur nikkel, mangaan en kobalt in verskillende verhoudings te meng,-algemene verhoudings is NMC 111, 532, 622 en 811 waar die getalle relatiewe metaalinhoud aandui-kan jy die prestasie instel. Hoër nikkelinhoud stoot energiedigtheid op na 200-250 Wh/kg maar ten koste van termiese stabiliteit en sikluslewe. NMC 811-selle kan 250 Wh/kg bereik, maar benodig baie noukeuriger termiese bestuur.
Aan die anodekant is grafiet sedert dag een die standaard. Teoretiese kapasiteit is 372 mAh/g, en kommersiële selle bereik tipies 340-360 mAh/g. Die litium interkaleer tussen grafeenlae tydens laai, wat die grafietvolume met ongeveer 10% vergroot. Hierdie meganiese spanning dra by tot kapasiteit vervaag oor fietsry.
Silikon-anodes is nou al vir sowat vyftien jaar “die volgende groot ding”. Silikon se teoretiese kapasiteit is 4 200 mAh/g -meer as tien keer grafiet. Probleem is, silikon sit met 300% uit wanneer dit litium absorbeer. Dit breek die anode uitmekaar na 'n paar siklusse. Huidige benaderings gebruik silikon-grafietmengsels met silikoninhoud tipies onder 10% om uitbreiding hanteerbaar te hou. Desondanks is die eerste-onomkeerbare kapasiteitsverlies 15-25% in silikonbevattende anodes teenoor 5-10% vir suiwer grafiet.
Selkonstruksie en -formate
Silindriese selle is waarskynlik wat die meeste mense beeld wanneer hulle dink "battery." Die 18650-formaat (18 mm deursnee, 65 mm lengte) het alomteenwoordig geword nadat skootrekenaarvervaardigers dit in die vroeë 2000's gestandaardiseer het. Tesla het duisende daarvan in die oorspronklike Roadster gebruik. Tipiese 18 650 kapasiteit loop 2 000-3 500 mAh, afhangende van chemie en of jy optimaliseer vir energie of krag.
Die nuwer 21700-formaat (21 mm × 70 mm) wat Tesla en Panasonic saam ontwikkel het, bied ongeveer 50% meer energie per sel-4 000-5 000 mAh, is nou algemeen. Die groter deursnee verhoog die verhouding van aktiewe materiaal tot onaktiewe komponente (stroomkollektors, blik, veiligheidstoestelle), wat energiedigtheid op die pakvlak verbeter. Vervaardigingslyne moes herwerk word, wat deel is van die rede waarom aanneming 'n rukkie geneem het.
Prismatiese selle het gekom van die motorbedryf se begeerte vir beter ruimtebenutting. In plaas daarvan om 'n boks met silinders te vul en al daardie leemte te laat, maak jy reghoekige selle wat doeltreffend stapel. Motor--graad prismatiese selle wissel van 20Ah tot meer as 100Ah kapasiteit. Hulle is makliker om te termies- vanuit 'n verpakkingsoogpunt te bestuur, aangesien jy verkoelingsplate direk teen die plat kante kan plaas. Die nadeel is dat jy al jou eiers in minder mandjies het-as een groot prismatiese sel misluk, verloor jy meer kapasiteit as wanneer een klein silindriese sel misluk.
Sakkieselle neem die ruimtedoeltreffendheidsidee verder deur die metaalblik heeltemal uit te skakel. Die sel is verseël in 'n buigsame aluminium-laminaatsak. Dit bespaar miskien 10-15% gewig teenoor 'n prismatiese blikkie, en die formaat is uiters buigsaam - jy kan hulle enige grootte of vorm maak wat die toepassing vereis. EV-vervaardigers hou van hulle omdat jy hulle direk in koelplate kan stapel. Die swakheid is meganies: hulle benodig eksterne kompressie om elektrode-delaminering tydens fietsry te voorkom, en hulle is meer kwesbaar vir punkskade.
Skeidingstegnologie
Die skeier kry nie veel aandag nie, maar dit is waarskynlik die mees kritieke veiligheidskomponent. Dit is 'n dun (16-25 μm tipies) poreuse membraan wat keer dat die anode en katode aan mekaar raak terwyl litiumione deurlaat. Vroeë skeiers was enkellaag poliëtileen (PE) of polipropileen (PP).
Moderne hoë-verrigtingskeiers gebruik drielaagstrukture, tipies PP/PE/PP. Die PE-laag het 'n laer smeltpunt (135 grade) as PP (165 grade). As die sel begin oorverhit, smelt die PE en vul die porieë in, wat ioniese vervoer afskakel voordat die temperatuur gevaarlike vlakke bereik. Dit word termiese afsluiting genoem, en dit is jou laaste verdedigingslinie voor termiese weghol.
Keramiek-bedekte skeiers voeg nog 'n veiligheidsmarge by. 'n Dun (2-4 μm) deklaag van alumina of ander keramiekdeeltjies aan een of albei kante van die skeier handhaaf strukturele integriteit selfs al smelt die polimeer. Die deklaag is poreus genoeg dat ioniese vervoer voortgaan, maar dit verhoed dat die elektrode kort-maak, selfs by temperature bo 150 grade. Die nadeel is koste-keramiekbedekte-skeiers wat 2-3× die prys van standaardskeiers loop - en effens hoër impedansie.
Porositeit is tipies 40-50%. Te laag en ioniese weerstand styg, wat kragvermoë beperk. Te hoog en meganiese sterkte ly. Poriegrootteverspreiding maak ook saak; die Gurley-nommer (lugpermeabiliteitstoets) is 'n standaardspesifikasie. Die meeste EV-graad skeiers teiken 200-400 sekondes/100cc.
Elektrolietsamestelling en bymiddels
Die elektroliet in 'n litiumioonsel is meer kompleks as wat jy dalk dink. Basisformulering is tipies 'n litiumsout-LiPF₆ (litiumheksafluorofosfaat) in 95%+ van selle-opgelos in 'n mengsel van organiese karbonate. Algemene oplosmiddels sluit in etileenkarbonaat (EC), dimetielkarbonaat (DMC), dietielkarbonaat (DEC) en etielmetielkarbonaat (EMC).
LiPF₆-konsentrasie is gewoonlik rondom 1,0 tot 1,2 M (molêr). Hoër konsentrasie verbeter ioniese geleidingsvermoë tot op 'n punt, maar verder as 1,3 M of so begin jy soutneerslag kry by lae temperature. LiPF₆ het probleme-dit is vog-sensitief en begin bo 60 grade ontbind -maar alternatiewe soos LiBOB of LiFSI het dit nog nie verplaas nie weens koste of ander afwykings.
Die karbonaatoplosmiddelmengsel word vir die toepassing ingestel. EC het 'n hoë diëlektriese konstante en goeie SEI-vormende eienskappe, maar dit vries teen 36 grade. Jy moet dit met laer-viskositeitkarbonate soos DMC of EMC meng om lae-temperatuurverrigting te handhaaf. 'n Tipiese formulering kan EC:DMC 1:1 volgens volume of EC:EMC 3:7 wees. Die presiese verhoudings is eie en noukeurig bewaak.
Bymiddels is waar die ware chemie-magie plaasvind. Moderne elektroliete bevat 2-5% per gewig van verskeie bymiddels wat SEI-vorming verander, oorlading voorkom, gasgenerering onderdruk of hoë-temperatuurstabiliteit verbeter. Vinileenkarbonaat (VC) teen 1-2% is byna universeel vir die verbetering van SEI kwaliteit op grafiet anodes. Fluoretileenkarbonaat (FEC) werk beter vir silikonbevattende anodes. Hierdie verbindings verminder verkieslik tydens die aanvanklike laaisiklusse, en vorm 'n beskermende laag op die anode wat ionies geleidend maar elektronies isolerend is.
Oorladingsbeskermingsbymiddels soos bifeniel of sikloheksielbenseen begin rondom 4.5V polimeriseer, wat 'n interne shunt skep wat verhoed dat spanning verder klim. Dit gee jou 'n mate van beskerming as die BMS misluk, hoewel dit natuurlik nie 'n beste ontwerppraktyk is om daarop te vertrou nie.
Soliede elektroliet-koppelvlakvorming
Die SEI is waarskynlik die minste verstaanbare maar belangrikste aspek van litiumioonbattery. Tydens die eerste paar laaisiklusse reageer elektrolietkomponente met die anode-oppervlak en vorm 'n passiveringslaag. Hierdie laag is krities: dit moet ionies geleidend wees (om litiumione deur te laat) maar elektronies isolerend (om verdere elektroliet-ontbinding te voorkom). SEI-samestelling is 'n gemors-dosyne litiumsoute, organiese verbindings en polimere wat almal saam gemeng is in 'n laag 10-100 nm dik.
Goeie SEI-vorming is die verskil tussen 'n sel wat 500 keer siklusse en een wat 3 000 keer siklusse. Die probleem is dat die SEI nie staties is nie. Dit kraak tydens volumeveranderinge in die anode, wat vars oppervlak blootstel wat meer elektroliet en litium verbruik om die skade te herstel. Dit is hoekom kapasiteit vervaag met fietsry, selfs wanneer jy sag met die sel is.
Formasiefietsry is 'n kritieke vervaardigingsstap. Selle ondergaan een of meer stadige laai-ontladingsiklusse by beheerde temperature om die aanvanklike SEI te bepaal. Formasieprotokolle is eie, maar tipiese eerste--siklus-laaikoerse is C/20 tot C/10, en die proses kan 24-48 uur neem. Vervaardigers optimaliseer formasiespanningsgrense, temperatuur, rusperiodes en fietsrypatrone om die mees stabiele SEI moontlik te produseer. Om dit verkeerd te kry, kos jou lewensduur.
Kalenderveroudering-kapasiteitsverlies selfs wanneer die sel net daar sit-is ook grootliks 'n SEI-verskynsel. Die SEI groei steeds stadig by oop kring, en verbruik siklusbare litium. Berging teen hoë ladingtoestand en hoë temperatuur versnel dit. 'n Sel wat by 100% SOC en 60 grade gestoor word, kan binne 'n jaar 20% kapasiteit verloor, terwyl dieselfde sel by 50% SOC en 25 grade 3% kan verloor.
Laaiprotokolle en batterybestuur
Litiumioonselle is sensitief vir oorlading, oor-ontlading en laai by onvanpaste temperature. Dit is hoekom elke multi-selbatterypak 'n BMS (batterybestuurstelsel) benodig.
Die standaard laaimetode is konstante stroom/konstante spanning (CC-CV). Tydens die CC-fase druk jy stroom in die sel teen 'n vaste tempo-gewoonlik 0.5C tot 1C vir die meeste selle, alhoewel sommige hoë-kragselle 3C of meer kan hanteer. Spanning styg soos die sel laai. Wanneer spanning die boonste limiet bereik (4.2V vir die meeste chemieë, 3.65V vir LFP, 4.3V of 4.35V vir sommige hoë-energie NMC-variante), skakel jy oor na CV-modus. Stroom neem af namate die sel volle lading nader, en sny gewoonlik af wanneer stroom onder C/20 of C/50 daal.
Vinnige laai is meer ingewikkeld. Hoër laaitempo's versnel litiumplatering op die anode, wat gevaarlik is-metaallitium is hoogs reaktief en kan lei tot interne kortsluitings of dendrietvorming wat die skeier binnedring. Om vinnig-veilig te laai, moet jy verstaan hoe spanning, stroom en temperatuur in wisselwerking tree met litiumplaat-aanvangstoestande.
Die probleem is dat jy nie litiumplatering direk in 'n verseëlde sel kan meet nie. Jy moet dit aflei van ander seine. Een benadering is om anodepotensiaal teenoor litiummetaalverwysing op te spoor. As anodepotensiaal onder 0V versus Li/Li⁺ daal, vind platering plaas. Die probleem is dat die meeste kommersiële selle nie verwysingselektrodes het nie.
Temperatuurstyging tydens vinnige laai maak ook saak. 'n Sel wat by 2C laai, kan dalk sien dat sy interne temperatuur 15-20 grade bo omgewingstemperatuur styg, selfs met aktiewe verkoeling. By koue temperature is dit eintlik nuttig-'n koue sel (sê -10 grade ) het baie swak kragvermoë, maar as jy dit kan opwarm deur teen matige koerse (0.5C) te laai, verbeter werkverrigting. Sommige EV's doen dit eintlik doelbewus: in koue weer sal hulle 'n kort hoëstroom-ladingspuls laat loop om die battery warm te maak voordat die bestuurder hoë krag vir versnelling eis.
Selbalansering is nodig omdat selle in serie nooit perfek by mekaar pas nie. Vervaardigingstoleransies, klein verskille in self-ontladingstempo's en termiese gradiënte oor die pak veroorsaak spanningsverdryf. As jy 'n reeksstring laai sonder om te balanseer, tref sommige selle die boonste spanningsgrens voor ander. Die sterk selle is ondergelaai, die swak selle is oorlaai, en prestasie ly daaronder.
Passiewe balansering gebruik resistors om energie van hoër-spanningselle af te blaas. Dit is eenvoudig en goedkoop, maar mors energie as hitte. Aktiewe balansering gebruik GS-GS-omsetters of kapasitors om energie van hoë selle na lae selle oor te dra. Meer doeltreffend, meer kompleks, duurder. Vir 'n 400V EV-pak kan passiewe balansering 50-100W voortdurend vermors, wat weglaatbaar is in vergelyking met dryfkrag, maar mettertyd optel.
Oorwegings vir termiese bestuur
Hittegenerering in 'n litiumioonsel kom van drie bronne: onomkeerbare hitte (Joule-verhitting van interne weerstand), omkeerbare hitte (entropieverandering van die elektrochemiese reaksie) en hitte van newe-reaksies. By lae tot matige C-tempo oorheers omkeerbare hitte. By hoë C-tempo neem onomkeerbare hitte oor.
Die omkeerbare hitte term is interessant omdat dit van teken verander afhangende van SOC. Vir die meeste litiumioonchemieë genereer laai hitte by lae SOC maar absorbeer hitte by hoë SOC. Ontlading doen die teenoorgestelde. Die oorkruispunt is tipies ongeveer 50-60% SOC. Dit is hoekom jy dalk die seltemperatuur kan sien daal tydens die finale fase van laai as die stroom laag genoeg is.
Interne weerstand wissel met temperatuur, SOC en veroudering. By 25 grade kan 'n vars 18650-sel 40-60 milliohm GS-weerstand hê. By -20 grade kan dit tot 200-300 milliohm spring. Dit is hoekom koue-weer EV-reeks so dramaties daal. Nie net is chemie stadiger by lae temperature nie, maar die interne weerstandverhoging beteken dat meer van die battery se energie as hitte binne die sel vermors word.
Die termiese wegholdrempel hang af van chemie. Vir NMC-selle begin eksotermiese ontbindingsreaksies rondom 180-220 grade. Sodra dit begin is, kan die temperatuur teen 10-50 grade per sekonde styg, tot 800 grade of hoër. LFP is baie veiliger; termiese weghol-aanvang is 270 grade + en die maksimum temperatuur wat bereik word, is laer.
Voortplanting tussen selle in 'n pak is die werklike gevaar. As een sel in termiese weghol gaan, verhit dit sy bure. Of die naburige selle ook weghardloop, hang af van verkoelingsvermoë, selspasiëring en isolasie. UL 9540A voortplantingstoetsing simuleer dit deur een sel in termiese weghol te dwing en te monitor of aangrensende selle volg. Goeie pakontwerp bevat die mislukking van een sel of hoogstens 'n klein module.
Verkoelingstrategieë verskil. Lugverkoeling is die eenvoudigste-blaas lug oor die selle of pak. Werk OK vir lae kragdigtheid toepassings soos PHEV's of energiebergingstelsels. Vloeistofverkoeling is nodig vir hoë-verrigting EV's. Die meeste ontwerpe gebruik 'n 50:50 water-glikolmengsel teen 10-25 liter per minuut deur koue plate of verkoelingskanale. Inlaattemperatuur word tipies beheer tot 20-35 grade. Batterypak temperatuurgradiënte moet onder 5 grade maksimum tot min bly om versnelde veroudering van die warmste selle te vermy.
Sommige eksperimentele ontwerpe gebruik koelmiddelverkoeling, dompelverkoeling in diëlektriese vloeistof, of fase-veranderingsmateriale. Koelmiddelverkoeling kan meer hitte uittrek, maar vereis 'n meer komplekse AC-stelsel. Dompelverkoeling het uitstekende hitte-oordragkoëffisiënte (500-2 000 W/m²K teenoor 50-150 W/m²K vir indirekte vloeistofverkoeling), maar verseëling en vloeistofversoenbaarheid is uitdagings. PCM's werk passief, maar moet uiteindelik die gestoor hitte verwerp, so hulle help hoofsaaklik met verbygaande verkoeling tydens vinnige laai of harde versnelling.
Prestasie-agteruitgang en mislukkingsmodusse
Kapasiteit vervaag en impedansie groei is die twee hoof agteruitgang meganismes. Hulle word veroorsaak deur verskeie verskillende fisiese en chemiese prosesse wat gelyktydig plaasvind.
Aan die anodekant verbruik SEI-groei siklusbare litium en elektroliet, wat weerstand verhoog. Grafietafskilfering kan voorkom as die sel teen lae temperature -litiumplate op die grafietoppervlak gelaai word in plaas daarvan om te interkaleer, en wanneer dit uiteindelik interkaleer, breek dit die grafietstruktuur uitmekaar. Dit is dikwels onomkeerbaar. Bindmiddel ontbinding by verhoogde temperature veroorsaak verlies van elektriese kontak tussen deeltjies.
Katode-afbraak sluit oorgangsmetaal-oplossing in (veral mangaan in LMO of mangaan-bevattende NMC), strukturele veranderinge van herhaalde litiuminvoeging/-ekstraksie, en oppervlakrekonstruksie in hoë-nikkelkatodes. Die opgeloste oorgangsmetale migreer na die anode waar hulle SEI-groei kataliseer, so katode-afbreking versnel indirek anode-afbraak.
Elektroliet-ontbinding en gasopwekking is groter probleme by hoë spanning en hoë temperature. Algemene gasse sluit in CO₂, CO en verskeie koolwaterstowwe van karbonaatontbinding. In sakkieselle sal jy sien hoe die sakkie sigbaar swel. In silindriese of prismatiese selle met harde omhulsels, bou druk op totdat die veiligheidsopening oopmaak (gewoonlik teen 10-15 bar).
Verlies aan litiumvoorraad is 'n groot vervaagmeganisme. Elke keer as die SEI groei of litiumplate onomkeerbaar op die anode is, word 'n bietjie litium uit die poel van siklusbare litium gehaal. Uiteindelik raak jy op en kapasiteit daal.
Skielike mislukkings kan voorkom as gevolg van interne kortbroeke. Die meeste kortbroeke begin klein -'n klein metaaldeeltjie steek die skeier deur, of 'n litiumdendriet groei daardeur. Die kort skep 'n warm plek, wat plaaslik agteruitgang versnel, wat die kort erger maak, en jy kry 'n positiewe terugvoerlus. Soms genees die selself-as die kort self oopsmelt. Ander kere vorder dit tot termiese weghol.
Spykerpenetrasietoetse (om 'n staalspyker deur 'n gelaaide sel te dwing) is 'n standaard misbruiktoets. LFP-selle gaan gewoonlik nie in termiese weghol van spykerpenetrasie nie. NMC-selle doen dit dikwels, hoewel ontwerpe met beter skeiers en laer spesifieke energie soms kan slaag.
Figuur 5 plot kapasiteitsbehoud teenoor siklusnommer vir verskeie chemieë onder matige fietsrytoestande (1C lading/ontlading, 25 grade, 100% DOD).
Staat van lading en staat van gesondheid skatting
Jy kan nie direk meet hoeveel energie in 'n litiumioonsel is nie. Jy moet dit skat uit ander metings: spanning, stroom en temperatuur.
Die eenvoudigste SOC-skattingsmetode is spanning-gebaseer. Elke chemie het 'n kenmerkende oop-kringspanning teenoor SOC-kromme. Meet die spanning nadat die sel vir 'n rukkie gerus het (om verbygaande spanning te laat daal as gevolg van interne weerstandsverval), soek dit op die OCV-kromme, en jy weet SOC. Probleem is, jy het selde tyd vir die sel om te rus in regte toepassings.
Coulomb-telling is die standaardbenadering. Jy integreer stroom met verloop van tyd om lading in en uit te spoor. As jy by 'n bekende SOC begin, kan jy enige tyd die nuwe SOC bereken. Akkuraatheid hang af van jou huidige sensor (± 0,5% is tipies) en om die ware kapasiteit te ken. Foute versamel met verloop van tyd, so jy moet periodiek herkalibreer deur 'n volle laai- of ontladingsiklus te doen.
Model-gebaseerde metodes gebruik 'n ekwivalente stroombaanmodel of elektrochemiese model van die sel. Jy meet terminaal spanning en stroom, loop dit deur jou model, en onttrek interne toestande insluitend SOC. Uitgebreide Kalman-filters of soortgelyke staatswaarnemers is algemeen. Hierdie benaderings kan baie akkuraat wees (±2% SOC-fout), maar vereis goeie modelle en beduidende berekeningshulpbronne.
SOH-skatting is moeiliker omdat jy agteruitgang probeer kwantifiseer, wat stadig en geleidelik is. Kapasiteitsvervaging en impedansiegroei korreleer nie noodwendig lineêr met mekaar of met siklustelling nie. 'n Sel wat vinnig-baie gelaai is, het dalk 'n hoë impedansie, maar slegs matige kapasiteit vervaag. 'n Sel wat by hoë SOC/temperatuur gestoor is, kan aansienlike kapasiteit vervaag, maar relatief lae impedansiegroei.
Bedryfspraktyk is om SOH te definieer op grond van kapasiteit: 'n sel teen 80% van sy oorspronklike kapasiteit is op 80% SOH, en dit word dikwels as einde-van-lewe vir EV-toepassings beskou. Die sel werk steeds, maar omvang het met 20% gedaal. Vir energiebergingstoepassings kan selle tot 60-70% SOH gebruik word.
Sommige BMS'e doen periodieke kapasiteitkontroles-ontlaai die battery heeltemal teen 'n lae tempo en meet hoeveel energie uitkom. Dit is akkuraat maar opdringerig (die battery is nie beskikbaar tydens die toets nie) en neem ure. Ander benaderings probeer om kapasiteit indirek te skat uit spanningskrommes, impedansiemetings of coulombiese doeltreffendheid.
Interne weerstand kan gemeet word deur 'n stroompuls toe te pas en spanningsreaksie te meet, of deur 'n klein WS-sein by verskeie frekwensies in te spuit (elektrochemiese impedansiespektroskopie). EIS gee baie meer inligting, maar vereis gespesialiseerde hardeware wat selde in kommersiële BMS'e voorkom.
Tweede-Lewenstoepassings en herwinning
Wanneer 'n EV-battery einde-van-lewe bereik (gewoonlik 70-80% van oorspronklike kapasiteit), is dit steeds perfek funksioneel vir minder veeleisende toepassings. Tweede-lewe battery gebruik is besig om vastrapplek te kry vir stilstaande energieberging.
Die ekonomie is moeilik. Jy moet die afgetrede pakkie toets, dit moontlik hervervaardig (vervang die BMS, verkoelingstelsel of beskadigde modules), sertifiseer dit vir die nuwe toepassing en verskaf 'n waarborg. Dit alles kos geld. Vir die tweede-lewe om sin te maak, moet die opgeknapte pakkie aansienlik minder kos as 'n nuwe pakkie wat ontwerp is vir die stilstaande toepassing. Koste breek selfs as opknapping minder as 40-50% van nuwe pakkoste beloop, afhangend van wie se ontleding jy glo.
Om afgetrede selle te toets is nie-triviaal nie. 'n Module kan honderde selle in serie-parallel bevat. Jy kan hulle nie maklik individueel toets nie. Jy kan die module as 'n eenheid toets, maar een slegte sel kan homself masker. Sommige degradasie-modusse is moeilik om op te spoor sonder vernietigende toetsing. Daar is ook die aanspreeklikheidsvraag: as 'n tweede-lewensbattery aan die brand slaan, wie is verantwoordelik?
Herwinning is die uiteindelike einde-van-lewenspad. Huidige groot-herwinning maak gebruik van pirometallurgie (smelting) of hidrometallurgie (chemiese loging). Pirometallurgie is eenvoudiger maar minder selektief-jy kry gemengde metaallegerings wat verdere verfyning benodig. Hidrometallurgie kan individuele metale teen hoër suiwerheid herwin, maar vereis meer stappe en genereer chemiese afval.
Die ekonomie van herwinning hang baie af van metaalpryse. Kobalt is waardevol (ongeveer $30-40/kg histories, hoewel pryse woes swaai), dus is die herwinning van kobalt-ryke chemie ekonomies lewensvatbaar. Nikkel is die moeite werd om op skaal te herwin. Mangaan, yster en aluminium is metale met 'n lae-waarde, dus herwinning maak hoofsaaklik sin om dit uit stortingsterreine te hou. Litium is interessant - dit is nie besonder waardevol per kilogram nie, maar aanbodbeperkings maak herstel aantreklik.
Direkte herwinning-om die battery uitmekaar te haal en katode- of anodemateriaal direk te hergebruik sonder om dit na metaalsoute af te breek-is 'n warm navorsingsarea. As jy katodepoeier in bruikbare vorm kon herwin, sou jy die energie en koste van katodesintese bespaar. Uitdagings sluit in die skeiding van die aktiewe materiaal van huidige versamelaars en bindmiddels, en die hantering van die feit dat herwinde materiaal 'n mengsel is van selle van verskillende vervaardigers, ouderdomme en chemie.
