Litio baterijų ciklo trukmės ir pagrindinių senėjimo veiksnių supratimas

Litio baterijų ciklo trukmės apibrėžimas ir jos svarba energijos kaupimo sistemose

Litio baterijų ciklo trukmė iš esmės reiškia, kiek kartų jas galima visiškai įkrauti ir iškrauti, kol jų talpa sumažėja iki apie 80 % nuo pradinės naujos baterijos talpos. Tai labai svarbu energijos kaupimui, nes ilgiau tarnaujančios baterijos ilgainiui reiškia žemesnes keitimo išlaidas ir geresnius aplinkosaugos rezultatus. Paimkime saulės energijos kaupimą kaip pavyzdį. Baterija, kuri išlaiko apie 5 000 ciklų, kai kiekvieną kartą išnaudojama tik 20 %, paprastai tarnaus 3–5 metus ilgiau nei kita baterija, kuri iškraunama iki 80 % gilumo, tačiau atlaiko tik 1 000 ciklų. Skirtumas realiose aplikacijose gali būti gana didelis, ypač sistemos operatoriams, vertinant ilgalaikes techninės priežiūros išlaidas.

Taisyklė įkrauti nuo 20% iki 80%, kad būtų sumažintas senėjimas dėl optimalaus įkrovimo būvio (SoC) valdymo

Lietių baterijų laikymas įkraunant nuo 20 % iki 80 % padeda apsaugoti vidinius elektrodus ir pailgina jų tarnavimo laiką, neprarandant talpos. Kai kurie 2023 metų tyrimai, kuriuose buvo ištirta apie 12 tūkstančių pramoninių baterijų, atskleidė kažką įdomaus: tos, kurios buvo laikomos šioje riboje, tarnavo apie 40 % ilgiau nei baterijos, kurios reguliariai buvo pilnai įkraunamos nuo visiško išsikrovimo iki maksimumo. Kai baterijos per daug išsikrauna arba yra per stipriai įkraunamos, viduje vyksta neigiami procesai, pvz., litio nusodinimas, kai ant elektrodų kaupiasi metalas, dėl ko baterijos senėjimas greitėja laikui bėgant. Toks pažeidimas ypač problematiškas, kai baterijos ilgą laiką veikia esant šiems kraštutiniams įkrovos lygiams.

Išsikrovimo gylis (DoD) ir jo tiesioginis poveikis baterijos degradacijai laikui bėgant

Išsikrovimo gylis tiesiogiai koreliuoja su ciklinio tarnavimo laiko sumažėjimu:

• 30 % DoD: ~8 000 ciklų
• 50 % DoD: ~3 500 ciklų
• 80 % DoD: ~1 200 ciklų

Ši eksponentinė priklausomybė kyla dėl mechaninio poveikio elektrodų medžiagoms, atsirandančio giliai iškraunant. Esant 80 % iškrovos gilumai (DoD), grafito anodo plitimasis padidėja 9 %, palyginti su 30 % DoD, nuolat pažeidžiant jo porėtą struktūrą (Ponemon Institute, 2022).

Įtampa veikiančio lango poveikis cikliniam tarnavimo laikui: perkrovos ir gilios iškrovos rizikos

Veikimas už rekomenduoto įtampos intervalo (2,5 V–4,2 V NMC elementams) sukelia negrįžtamą žalą:

• Perkrovimas (>4,2 V): Sukelia metalinio litio nusėdimą, po 50 ciklų padidindamas vidinę varžą 22 %
• Giliai iškrovimai (<2,5 V): Sukelia vario srovių kolektoriaus koroziją, kas kiekvartalį sumažina talpos išlaikymą 15 %

Naujausi tyrimai parodė, kad dinaminiai įtampos slenksčiai, kuriuos galima derinti pagal temperatūrą ir naudojimo modelius, gali padidinti ciklinį tarnavimo laiką 38 %, palyginti su fiksuotais ribiniais dydžiais.

Optimalūs krāvinimo metodai, siekiant maksimaliai pailginti litio baterijų ciklinį tarnavimo laiką

Vengti pilnų iškrovimų ir perkrovos ilgalaikiam baterijos sveikatai

Laikant litio baterijas apie 20 % ir 80 % įkrovos ribose, mažinamas apkrovimas elektrodams, dėl ko jų tarnavimo laikas gali pailgėti apie 40 %, lyginant su pilnu išsikrovimu. Kai baterijas visiškai iškrauname iki 0 % arba bandome išspausti kiekvieną paskutinę lašą, įkraudami iki 100 %, tai sukelia problemas, tokiomis kaip litio nusodinimas ir elektrolito tirpalo viduje skilimas. Tai yra pagrindiniai veiksniai, prisidedantys prie baterijų senėjimo laikui bėgant. Tyrimai rodo, kad jei baterija kas kart po pusę ciklo būtų įkraunama iš naujo (apie 50 % išsikrovimo gylis), ji paprastai tarnautų apie tris kartus ilgiau nei ta, kuri kiekviename cikle beveik visiškai išsikrauna.

Baterijų ciklų protokolai ir jų poveikis tarnavimo laikui

Žemos iškrovimo ciklai (30–50 % DoD) kartu su 0,5C įkrovimo srovėmis užtikrina ilgesnį tarnavimo laiką, tuo pačiu patenkinant energijos poreikius. Šiluminė analizė parodė, kad 0,25C įkrovimas sukuria 60 % mažiau šilumos nei 1C greitas įkrovimas, žymiai sumažinant kaupiamą pajėgumo praradimą. Pažangūs protokolai sveria efektyvumą ir išsaugojimą naudodami adaptuojamą srovės reguliavimą pagal elementų įtampą ir temperatūrą.

Optimalūs įkrovimo metodai, įskaitant įkrovimo greitį ir periodinius pilnus ciklus

Dviejų etapų įkrovimo strategija maksimaliai padidina našumą:

• Pastovi srovė (CC): Greitas įkrovimas iki 80 % talpos
• Pastovi įtampa (CV): Palaipsniui mažinama srovė paskutiniems 20 %

Nors kas mėnesį atliekami pilni ciklai padeda perkalibruoti pajėgumo stebėsenos sistemas, kasdieniai daliniai įkrovimai tarp 30–80 % SoC duoda geresnius rezultatus. Nutraukus įkrovimą ties 95 % talpos riba, sumažinamas galinio viršįtampos rizika, o gamintojai praneša apie 72 % mažiau gedimų sistemose, naudojančiose šį buferį.

Akumuliatoriaus valdymo sistemų (BMS) vaidmuo ciklinio tarnavimo laiko apsaugoje ir optimizavime

Baterijų valdymo sistemos (BMS) veikia kaip centrinė nervų sistema litio baterijos ciklo trukmė energijos kaupimo taikymo srityse. Nuolat stebėdamos ir reguliuodamos pagrindinius eksplotacinius parametrus, šios protingos sistemos neleidžia greitesnio senėjimo ir užtikrina saugias darbo sąlygas visą baterijos tarnavimo laiką.

Baterijų valdymo sistemos (BMS) vaidmuo realaus laiko apsaugoje ir senėjimo prevencijoje

Šiuolaikinė BMS technologija aktyviai neleidžia talpos mažėjimo per tris pagrindinius apsaugos mechanizmus:

• Blokuoja įkrovimo ciklus, kai temperatūra viršija 45 °C (113 °F)
• Automatiškai atjungia apkrovas, jei elementų įtampa nukrenta žemiau 2,5 V
• Apriboja maksimalią įkrovimo srovę žemoje temperatūroje dirbant

Šios priemonės sumažina apkrovą baterijos cheminėms sudedamosioms dalims, tuo pačiu laikantis UL 1973 standarto stacionarioms saugojimo sistemoms.

BMS naudojimas būsenos stebėjimui, elementų išlyginimui ir saugių darbo ribų laikymuisi

Pagrindinės BMS funkcijos apima:

• Tikro laiko ląstelių įtampos stebėjimas su ±5 mV tikslumu
• Aktyvus / pasyvus išlyginimas, kompensuojantis 2–8 % talpos neatitikimą tarp ląstelių
• Termo nestabilumo prevencija naudojant daugiasluoksnius jutiklių tinklus

Tinkamas ląstelių išlyginimas sumažina talpos silpnėjimą 40 % lyginant su neišlygintomis sistemomis. Pažangios realizacijos vienu metu seka daugiau nei 15 sveikatos parametrų, kas 50 ms atnaujindamos saugos ribas.

Pažangūs BMS algoritmai, leidžiantys numatyti techninę priežiūrą ir optimizuoti būklės įkrovimo (SoC) lygį

Kita kartos sistemos naudoja mašininį mokymąsi, kad nuspėtų likusį naudingą tarnavimo laiką (RUL) su 92 % tikslumu, remdamasi:

1. Krūvio / iškrovimo modelių Kulono skaičiavimo analize
2. Elektrochemine impedanso spektroskopija ankstyvajai gedimų detekcijai
3. Talpos praradimo trajektorijos modeliavimu, paremtu istoriniais ciklų duomenimis

Šie algoritmai užtikrina 30 % ilgesnį ciklinį gyvavimo laiką dėl dinaminio SoC intervalo koregavimo, automatiškai optimizuojant nuo 20–80 % kasdieniems ciklams arba 50–70 % sezoniniam saugojimui.

LFP ir NMC chemijos palyginimas ilgaamžiškumui ir realios našumo veikimui

Kodėl litio geležies fosfatas (LFP) siūlo geresnį ciklinį ilgaamžiškumą lyginant su NMC

LFP baterijos išlaiko apie 80 % jų pradinės talpos ir tarnauja maždaug 3 000–5 000 įkrovimo ciklų, kas yra žymiai geriau nei NMC baterijų tipiški 1 000–2 000 ciklų rodmenys. Kodėl taip? Jų stabilus alyvuogių kristalinės struktūros tipas suteikia šį pranašumą prieš konkurentus. LFP išskirtinumas slypi tame, kaip gerai jos išlaiko stabilumą per daugelį įkrovimo ciklų. Šis stabilumas reiškia mažesnį elektrodų nusidėvėjimą, dėl ko talpos netektis sumažėja apie 70 %, lyginant su NMC alternatyvomis. Vertinant ilgalaikes energijos kaupimo sistemas, kur baterijų tarnavimo laikas yra svarbiausias, LFP baterijos gali patikimai maitinti veiklą daugiau nei dešimtmetį. Toks ilgaamžiškumas daro jas ypač vertingomis didelėse sistemose, pvz., saulės elektrinėse ar kitose tinkle jungiamose kaupimo sistemose, kur būtina sumažinti keitimo išlaidas.

Ciklų skaičiaus palyginimas: LFP, NMC ir kitos litio jonų versijos realiomis sąlygomis

Kol laboratorijos tyrimai rodo LFP ilgaamžiškumą, praktinė naša priklauso nuo eksploatacinių sąlygų:

Metrinė	LFP	NMC	LCO (Litio Kobaltas)
Vid. Ciklų (iki 80%)	3,000–5,000	1,000–2,000	500–1,000
Terminis stabilumas	Saugus iki 60°C	Saugus iki 45°C	Saugus iki 40°C

Dėl NMC didesnio energijos tankio (150–250 Wh/kg) jis tinka elektriniams automobiliams, tačiau stacionariose saugyklose dominuoja LFP, kur saugumas ir ilgesnis tarnavimo laikas svarbesni už energijos tankio kompromisus. Duomenys iš stacionaraus energijos kaupimo projektų rodo, kad LFP sistemos išlaiko 90 % talpos po 2 500 ciklų 35 °C aplinkoje – sąlygomis, kurios NMC degraduoja 25 % greičiau.

LFP darnos ir saugos pranašumai stacionariose energijos saugyklose

LFP baterijų cheminė sudėtis pašalina ir kobaltą, ir nikelį, todėl gamintojams nebėra tiek priklausomų nuo šių problemiškų ir dažnai pavojingų medžiagų. Tikrai įdomu tai, kad šios baterijos taip pat yra žymiai saugesnės. Temperatūra, kurioje jos pradeda perkaisti, gerokai viršija 200 laipsnių Celsijaus, beveik dvigubai daugiau nei NMC baterijų atveju. Dėl to LFP ypač tinka vietoms, kur gaisras būtų katastrofiškas, pagalvokite apie mažas energijos tinklo sistemas, kurios pastaruoju metu atsiranda visur miestuose. Remiantis praėjusiais metais atliktais tyrimais, žmonės, tiriantys darnumą, atrado kažką gana svarbaus. Gaminant LFP baterijas, išmetama apie 40 procentų mažiau anglies dvideginio lyginant su NMC baterijų gamyba. Be to, kai ateina laikas jas perdirbti, galima atgauti didžiąją dalį brangių medžiagų. Kalbame apie beveik visas (pvz., 98 %) atkurtas litio geležies fosfato medžiagas, palyginti su tik apie trimis ketvirtiniais NMC baterijų atveju.

Pramonės paradoksas: didesnis energijos tankis prieš ilgesnį ciklų skaičių – kompromisai parenkant cheminę sudėtį

Energijos kaupimo srityje šiuo metu vyksta didelis balansas. Nuo vienos pusės turime NMC baterijas, kurių tankis yra įspūdingi 220 Wh/kg, leidžiantis konstruktoriams kurti mažesnes, kompaktiškesnes sistemas. Tačiau yra ir LFP technologija, kuri iš pradžių gali ne tokia galinga, bet ilgainiui sutaupo pinigų – apie 0,05–0,10 USD už kWh, atsižvelgiant į ilgesnį tarnavimo laiką. Įmonės, tokios kaip BYD ir CATL, tampa išradingesnės šioje srityje, kurdamas hibridinius sprendimus, kurie sujungia geriausias abi technologijas. Šie mišrieji sprendimai gamintojams suteikia abiejų pasaulių privalumus – galia ten, kur reikia greito išsikrovimo galimybių, kartu su ilgaamžiškumu, kuris gali ištverti dešimtmečius veikimo nesusidėvėdama. Atsižvelgiant į naujausius pokyčius, 2024 m. Baterijų technologijų ataskaita parodo kažką įdomaus rinkoje – apie dvi trečiąsias visų naujų stambaus masto energijos kaupimo sistemų šiuo metu renkasi LFP. Tai rodo, kad pramonė ima labiau rūpintis tuo, kaip gerai šios sistemos veikia per visą jų gyvavimo ciklą, o ne tik tuo, kiek energijos jos gali iš pradžių sukaupti.

DUK

Koks yra ciklinis ličio baterijų tarnavimo laikas?

Ličio baterijų ciklinis tarnavimo laikas nurodo, kiek kartų jas galima visiškai įkrauti ir iškrauti, kol jų talpa sumažėja iki 80 % pradinės vertės.

Kodėl svarbu ličio baterijas įkrauti tarp 20 % ir 80 %?

Palaikant įkrovą tarp 20 % ir 80 % apsaugomi baterijos elektrodai, dėl ko pailginamas jos tarnavimo laikas.

Kas yra išsikrovimo gylis (DoD) baterijų terminais?

DoD rodo, kiek giliai išsikrauna baterija. Kuo gilesnis išsikrovimas, tuo mažiau ciklų baterija atlaikys dėl padidėjusio mechaninio poveikio elektrodų medžiagoms.

Kaip baterijos valdymo sistema (BMS) apsaugo baterijos ciklinį tarnavimo laiką?

BMS stebi ir reguliuoja veikimo parametrus, neleidžiant greitesnio senėjimo ir užtikrinant saugias eksploatacijos sąlygas.

Kokie yra LFP baterijų pranašumai lyginant su NMC baterijomis?

LFP baterijos paprastai turi ilgesnį ciklinį tarnavimo laiką ir yra saugesnės, todėl tinka stacionarioms energijos kaupimo sistemoms.