Suprasti litio baterijų ciklo trukmę ir jos svarbą

Litio baterijų ciklo trukmės ir įkrovimo ciklų apibrėžimas

Ciklo trukmė paprastai reiškia, kiek kartų litio baterija gali būti visiškai įkrauta ir iškrauta, kol pradės mažėti jos galia – paprastai kai ji sumažėja iki 70–80 procentų nuo pradinės talpos. Vienas pilnas ciklas laikomas tada, kai visa baterijos galia yra sunaudojama, arba vienu kartu, arba dalimis. Taigi, jei kas nors per dieną panaudoja pusę baterijos du kartus, tai skaičiuojama kaip vienas pilnas ciklas. Daugelyje šiuolaikinių litio jonų baterijų ciklų skaičius svyruoja nuo 500 iki 1500. Kai kurios naujos kartos baterijos, sukurtos specialiai energijos tinklams, jau pranoksta šį rodiklį – pasiekia net 6000 ciklų, pagal praeitų metų pramonės ataskaitas. Tai svarbu todėl, kad ilgesnė ciklo trukmė reiškia geresnę kainos ir naudos santykį ilgalaikėje perspektyvoje.

Ciklo trukmės svarba atsinaujinančios energijos sistemose

Kai baterijos ilgiau veikia tarp pakeitimų, tai reiškia, kad mažiau elektroninio šiuko baigiasi sąvartynuose ir visoje apimtyje vartojame mažiau žaliavų. Paimkime elektromobilių baterijas kaip pavyzdį. Jei viena gali išlaikyti apie 1200 įkrovimo ciklų, o ne tik 500, jų neteks keisti nuo keturių iki septynerių metų. Tai reiškia, kad kiekvienam sukauptam kilovatvalandėje bus sutaupyta apie 19 kg žaliavų. Ilgaamžiškumo faktorius tampa labai svarbus kalbant apie atsinaujinančios energijos kaupimą. Saulės elektrinės ir vėjo jėgainės generuoja energiją periodiškai, todėl ilgam veikiančios saugojimo sistemos leidžia užtikrinti stabilų elektros tiekimą per visas dešimtmečius trunkantį veikimą.

Vidutinis litio jonų baterijų gyvavimo laikas esant normaliai naudojant

Tipiškomis sąlygomis litio baterijos išlaiko 80 % pradinės talpos per:

• Išmanieji telefonai / Nešiojamieji kompiuteriai : 300–500 ciklų (1–3 metai)
• Elektromobilių baterijos : 1000–1500 ciklų (8–12 metų)
• Solar storage : 3 000–6 000 ciklų (15–25 metai)

Veikimas 20 %–80 % įkrovimo diapazone gali pratęsti ciklų skaičių iki 40 %, lyginant su visišku 0 %–100 % naudojimu.

Pagrindiniai litio jonų baterijų degradacijos veiksniai

Šilumos ir temperatūros poveikis baterijos būklei

Kai temperatūra pakyla per aukštai, tai pagreitina litio baterijose vykstančias chemines reakcijas, kurios galiausiai suardo bateriją. Tyrimai rodo, kad apie šį tašką vyksta kažkas labai nerimą keliančio: kiekvieną kartą, kai temperatūra pakyla 15 laipsnių virš kambario temperatūros (apie 25 laipsnius Celsijaus), baterijos degradacija praktiškai padvigubėja. Kodėl? Todėl, kad elektrolito izoliacinis sluoksnis tampa storesnis ir vyksta daugiau litio apsauginis plakavimas. Ir jei šios baterijos ilgam laikui tampa per karštos, pavyzdžiui, apie 45 laipsnius Celsijaus, jų naudingas gyvenimo laikas smarkiai sumažėja. Kalbame apie maždaug 40 procentų mažiau ciklų iki sugadinimo lyginant su normaliomis eksploatacijos sąlygomis esant 20 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Šie rezultatai yra pagrįsti 2024 metų atliktomis šiluminės įtampos testų išvadomis, parodančiomis, kaip jautrios šios energijos šaltiniai iš tikrųjų yra šilumai.

Perkrovimo ir gilaus išsikrovimo poveikis litio baterijų ilgaamžiškumui

Viršijus įtampos ribas baterijos amžinai sugenda. Kai elementai įkraunami virš 4,2 V, jų paviršiuje pradeda leistis metalinis litis. Jei iškraunami žemiau 2,5 V vienam elementui, viduje esančios varinės dalys ištirpsta. Laboratorinių tyrimų rezultatai taip pat rodo kažką svarbaus. Baterijos, kurios ciklinamos iki 100 % iškrovimo gylis, veikia maždaug 300 mažiau ciklų nei tie, kurie sustabdomi ties 50 %. Tai didelis skirtumas realiose sąlygose. Daugelyje šiuolaikinių įrenginių jau yra integruotos baterijų valdymo sistemos, kurios saugo nuo šių pavojingų ekstremumų. Šios BMS sistemos sukuria saugumo atsargas, kad įtampa normaliai veikiant būtų ribose.

Greito įkrovimo ir standartinio įkrovimo palyginimas: našumo ir nusidėvėjimo kompromatai

Nors 3C greito įkrovimo režimas sumažina įkrovimo laiką 65 %, dėl jonų koncentracijos gradientų, sukuriančių elektrodų įtampą, vidinė varža didėja 18 % greičiau nei standartinio 1C įkrovimo būdu. Siekiant išlaikyti pusiausvyrą tarp įkrovimo greičio ir ilgaamžiškumo, gamintojai dabar naudoja adaptacinius įkrovimo algoritmus, kurie koreguoja įkrovimo greitį pagal temperatūrą ir įkrovimo būseną.

Grįžtamojo našumo efektyvumas ir jo poveikis ciklų skaičiui

Didesnis grįžtamojo našumo efektyvumas (RTE) prisideda prie ilgesnio ciklų skaičiaus. Baterijos, turinčios 95 % RTE, per 1000 ciklų praranda 12 % mažiau talpos nei baterijos su 85 % RTE, nes mažesnis efektyvumas sukuria daugiau šilumos. Pažengus elektrodų medžiagoms ir elektrolitams, pirmininkaujančios litio ferofosfato (LFP) baterijos 2024 m. našumo tyrimuose pasiekė 97 % RTE.

Geriausiai tinkantys metodai, kaip pailginti litio baterijų ciklų skaičių

20–80 % įkrovimo taisyklė, kad būtų sumažintas degradavimas

Palaikant įkrovą nuo 20 % iki 80 % žymiai sumažėja elektrodų įtampa. 2023 metų Mičigano universiteto tyrimas parodė, kad toks metodas gali pratęsti ciklo gyvenimą iki keturis kartus lyginant su 0–100 % ciklais, nes mažėja litio apsauginis sluoksnis ir katodo įtrūkimai.

Išvengti pilno išsikrovimo ir per didelio įkrovimo ilgalaikiam sveikatai

Išsikrovimas žemiau 10 % pagreitina elektrolito skilimą, o įkrovimas virš 95 % įkrauna ląstelių chemiją. Gamintojų duomenys rodo, kad išvengiant šių kraštutinumų, po 500 ciklų išlieka 92 % talpos, lyginant su 78 %, kai dažnai naudojami pilni ciklai.

Optimalus įkrovimo strategijos telefonams, nešiojamiesiems kompiuteriams ir elektrinėms transporto priemonėms

• Mobilieji telefonai : Įgalinkite „optimizuotą įkrovimą“, kad sustabdytumėte įkrovimą esant 80 %
• Nešiojami kompiuteriai : Atjunkite po visiško įkrovimo ir vengti ilgalaikio 100 % būvio
• Elektrinės transporto priemonės : Naudokite planuotą įkrovimą, kad užbaigtumėte įkrovimą vos pradėdami važiuoti

Tinkamas saugojimas: vėsiose, sausose sąlygose esant 40–60 % įkrovai

Ilgam laikui saugoti, baterijas laikykite 15 °C (59 °F) temperatūroje ir apie 50 % įkrovos, kad savaiminio išsikrovimo sumažėtų mažiau nei 3 % per mėnesį. Temperatūros virš 25 °C (77 °F) gali padidinti degradacijos tempą keturis kartus, pagal NREL 2023 metų tyrimus.

Baterijų valdymo sistemų (BMS) vaidmuo realaus laiko apsaugoje ir optimizavime

Baterijų valdymo sistemos (BMS) apsaugo nuo per įkrovimo, balansuoja elementų įtampą ir reguliuoja įkrovimo srovę esant ekstremaliose temperatūrose. Pažengusios BMS konstrukcijos prisitaiko prie įkrovimo elgsenos naudojimo modeliams, sumažindamos nubrozdinimus 18–22 % lyginant su paprastesnėmis sistemomis (DOE 2023 m.)

Palyginant baterijų chemijas: LFP ir NMC ilgaamžiškumui ir atsinaujinamumui

Kodėl litio geležies fosfatas (LFP) siūlo geresnį ciklo ilgį

Kai kalbama apie ilgaamžiškumą, litio geležies fosfato (LFP) akumuliatoriai pranoksta nikelio-mangano-kobalto (NMC) akumuliatorius, nes jie turi stabilų kristalinį struktūrą ir patiria mažiau mechaninio poveikio, kai yra įkraunami ir iškraunami daug kartų. Daugelis NMC akumuliatorių išlaiko apie 80 % jų pradinės talpos per 1 000–2 000 įkrovimo ciklų, tuo tarpu LFP versijos gali veikti gerokai ilgiau – dažnai pasiekiant 3 000–5 000 ciklų, kol pradeda reikšmingai mažėti talpa. Kodėl LFP yra toks patikimas? Geležies-fosfato cheminiai ryšiai yra labai stiprūs ir nesiskaido net esant aukštai temperatūrai. 2023 metų tyrimai įvertino, kaip šie akumuliatoriai veikia didelio masto energijos kaupimo sistemose. Praėjus 2 500 pilnų įkrovimo-iškrovimo ciklų, LFP elementai vis dar turėjo 92 % pradinės talpos, o tai yra maždaug 20 procentinių punktų daugiau nei NMC akumuliatorių paketų, kurie buvo testuojami tuo pačiu metu.

Ciklo Gyvenimo Palyginimas: LFP, NMC ir Kiti Litio Jonų Tipai

Metrinė	LFP	NMC	LCO (Litio Kobaltas)
Vid. Ciklų (iki 80%)	3 000–5 000	1 000–2 000	500–1 000
Terminis stabilumas	≤60 °C saugu	≤45 °C saugu	≤40 °C saugu
Energijos tankis	90–120 Wh/kg	150–220 Wh/kg	150–200 Wh/kg
Kaina už ciklą	$0,03–$0,05	$0,08–$0,12	$0,15–$0,20

Šis palyginimas parodo LFP pranašumą trukmės ir saugumo požiūriu, todėl jis yra idealus stacionarioms sistemoms, o NMC vis dar geriau tinka svorio jautriems naudojimams, tokiems kaip EV.

Atvejo analizė: LFP baterijos elektriniuose autobusuose ir elektros tinklo kaupikliuose

Miestai, naudojantys LFP baterijas savo transporto priemonių parkui, aštuonių metų laikotarpiu išleidžia maždaug 40 procentų mažiau lėšų baterijų keitimui, lyginant su naudojančiais NMC sistemas. Paimkime pavyzdžiui Šenzhen, kur nuo 2018 metų vežiojama apie 16 tūkstančių elektrinių autobusų. Šios transporto priemonės veikia beveik visą laiką, išlaikydamos apie 97 procentų veikimo laiko net po 200 000 kilometrų nuvažiavimo, o baterijų talpa mažėja tik 12 procentų. Kalbant apie elektros energijos kaupimą elektros tinkluose, LFP technologijos per penkiolika metų suteikia apie 18 procentų didesnį investicijų grąžinimo rodiklį, nes šios baterijos sensta daug lėčiau nei kitos alternatyvos. Dėl šios priežasties daugelis pažangiosios krypties bendruomenių nusisuka nuo LFP sprendimų kaip dalies ilgalaikių planų, kuriais siekiama plėtoti žaliąsias energijos sistemas.

Litių baterijų naudojimas ir pabaigos valdymas

Antrinės panaudojimo galimybės: Efektyvus naudotų litių baterijų panaudojimas

Litio baterijos vis dar veikia gana gerai, net kai jų talpa sumažėja iki apie 70–80 % pradinės talpos. Senesnės baterijos randą naujus namus, pavyzdžiui, saugant saulės energiją, veikiant kaip atsarginis šaltinis pertraukimų metu arba valdant apkrovas gamyklųse, kur našumo reikalavimai nėra tokie griežti. Pagal prieš metus paskelbtą tyrimą, kurį paskelbė „Journal of Energy Storage“, elektrinių automobilių baterijos, pašalintos iš automobilių, iš tikrųjų gali tarnauti nuo septynerių iki dešimties metų, sumažinant elektros energijos pikus biuro pastatuose ir panašiose įstaigose. Geriausia yra tai, kad naujesnė technologija leidžia išrūšiuoti naudotas baterijas ir priskirti jas prie tinkamų antrinio naudojimo srities taikymų apie 40 % greičiau nei žmonės galėtų tai padaryti rankiniu būdu. Tai padaro visą baterijų pakartotinio naudojimo procesą efektyvesnį ir padeda sumažinti atliekas.

Atliekų mažinimas per ilgesnį ciklo gyvenimą ir pakartotinį naudojimą

Tinkamas įkrovimas ir šilumos valdymas pratęsia baterijų tarnavimo laiką 30–50 %, kas kasmet išvengiama 18 metrinių tonų elektroninio šiukšlių kiekio tūkstančiui vienetų. Modulinės baterijų konstrukcijos, leidžiančios pakeisti atskirus elementus, sumažina žaliavų poreikį 28 % lyginant su visų komplektų keitimu, pagal 2022 metų aplinkos poveikio tyrimą.

Aplinkos ekonomikos tendencijos litio baterijų ekosistemose

Uždaro ciklo perdirbimo procesas gali atkurti apie 95 procentus kobalto ir beveik 90 procentų litio naudojant metodus, kuriuose nenaudojami tirpikliai, konkrečiai – tiesioginės katodo regeneracijos technologijas. Pažvelgus į faktinius skaičius, baterijų atgavimas Šiaurės Amerikoje ir Europoje pastaraisiais metais gerokai išaugo. 2020 metais buvo atgaminama tik apie 12 procentų baterijų, tačiau 2023 metais šis skaičius išaugo iki 37 procentų, daugiausiai dėl to, kad geresnės surinkimo sistemos pradėjo veikti. Vyriausybės taip pat įsikiša, nustatydamos naujas taisykles, kurios reikalauja bent 70 procentų medžiagų atgavimo iš senų baterijų. Šie reglamentai verčia įmones kurti inovatyvias medžiagų atskyrimo būdus be jų deginimo (pirolizės), kuris padeda išlaikyti vertingus grafito anodus, kad jie galėtų būti vėl naudojami baterijų gamyboje.

DAK

Kokia yra litio baterijos ciklų trukmė?

Ciklo trukmė reiškia pilnų įkrovimo ir iškrovimo ciklų skaičių, kuriuos gali išlaikyti litio baterija, kol prarandama talpa, paprastai apie 70–80 % pradinės talpos.

Kaip galiu pratęsti savo litio baterijos ciklo trukmę?

Norėdami pratęsti ciklo trukmę, palaikykite įkrovimo diapazoną nuo 20 % iki 80 %, vengkite visiško išsikrovimo ir pernelyg įkrovimo bei laikykite baterijas vėsiose ir sausose sąlygose esant apie 50 % įkrovimo.

Koks skirtumas tarp LFP ir NMC baterijų?

LFP baterijos siūlo geresnę ciklo trukmę ir terminę stabilumą esant žemesnei energijos tankio reikšmei, todėl jos tinka stacionariems taikymams. NMC baterijos turi didesnį energijos tankį, todėl tinka svoriui jautriems taikymams, tokiems kaip EV.

Ar litio baterijas galima perdirbti?

Taip, litio baterijas galima perdirbti. Uždarosios perdirbimo technologijos gali atkurti iki 95 % kobalto ir beveik 90 % litio ekologišku būdu.