Каковы основные факторы, влияющие на срок службы литиевых батарей?

С широким распространением новых транспортных средств, аккумуляторов энергии и портативных электронных устройств литиевые батареи стали незаменимым ключевым компонентом в нашей жизни. Ключевой показатель, определяющий «диапазон» и «срок службы» этих продуктов: -срок службы литиевой батареи- постепенно стал в центре внимания. Срок службы литиевой батареи — это количество циклов, которым батарея подвергается в определенном режиме зарядки-разрядки, пока ее полезная емкость не снизится до 80 % от первоначальной емкости.

Этот показатель не только напрямую влияет на пользовательский опыт потребителя и эксплуатационные расходы, но также оказывает решающее влияние на технологические итерации и дизайн продуктов новой энергетической отрасли. Сегодня Battery Pioneer всесторонне проанализирует основную логику жизненного цикла литиевых батарей с трех сторон: влияющие факторы, методы прогнозирования и практические приемы, используя простой язык, чтобы помочь вам понять эту ключевую технологию!

Срок службы литиевой батареи не является фиксированной величиной, а зависит от комбинации факторов, включая внутренние свойства материала, внешнюю среду использования и методы эксплуатации. Каждый фактор действует как эффект домино, влияя на всю батарею и напрямую влияя на скорость ее деградации.

1. Внутренние материалы: «врожденные гены» батареи, определяющие верхний предел деградации

Внутренняя структура литиевых батарей сложна. Материалы сердцевины, такие как активные материалы положительных и отрицательных электродов, связующие, проводящие вещества, токосъемники, сепараторы и электролиты, подвергаются необратимому старению и деградации во время длительной-циклической работы, что является основной причиной снижения емкости аккумулятора.

Для материалов положительных электродов, например литий-железо-фосфата, длительное-циклирование приводит к "искажению решетки" (промышленный термин, обозначающий разрушение кристаллической структуры), что приводит к снижению эффективности внедрения/извлечения ионов лития. Согласно исследованию команды Ли Янга из *Науки и технологии хранения энергии* в 2023 году, после 6000 циклов объем отрицательного электрода литий-железо-фосфатной батареи увеличивается на 18%, а пленка SEI (пленка интерфейса твердого электролита, ключевая защитная пленка для отрицательного электрода литиевых батарей) утолщается в 3 раза, что непосредственно приводит к необратимой потере активного лития. Кроме того, разложение электролита, старение и повреждение сепаратора, а также коррозия токосъемника могут ускорить ухудшение характеристик батареи с разных точек зрения, в совокупности определяя «естественный верхний предел» срока службы батареи.

2. Цикл зарядки/разрядки: приобретенные привычки использования, непосредственно ускоряющие или замедляющие деградацию

Если материалы являются «врожденными генами», то цикл зарядки/разрядки – это «приобретенная привычка», влияющая на срок службы батареи, включая три основных параметра: метод зарядки/разрядки, скорость зарядки/разрядки и условия отключения, каждый из которых подтверждается четкими научными данными.

Теория «оптимальной кривой зарядки», предложенная американским ученым Маасом, дает важные рекомендации по выбору метода зарядки. Эта теория утверждает, что оптимальный зарядный ток батареи постепенно уменьшается по мере увеличения времени зарядки, что выражено формулой I=I₀e⁻ᵅᵗ (где I - приемлемый зарядный ток, I₀ - начальный максимальный ток, t - время зарядки и - константа деградации). Зарядка в области ниже этой кривой сводит к минимуму повреждение аккумулятора. Превышение этого диапазона зарядного тока усугубляет поляризацию батареи, снижает эффективность зарядки и вызывает сильное выделение газа, тем самым сокращая срок службы батареи.

ACEY-BCT506-512Hоборудование для испытания заряда и разряда аккумулятораиспользует современные электронные устройства мониторинга и управления вместо ручной работы для отслеживания в реальном времени напряжения, тока, мощности, энергии, состояния формации и других параметров распределенной батареи в режиме реального времени, диагностики и устранения неисправностей, записи и анализа соответствующих данных, чтобы реализовать автоматическую и пакетную обработку в процессе формирования.

Согласно этой теории, различные методы зарядки имеют явные преимущества и недостатки: заряд постоянным током, особенно на поздних стадиях, может привести к чрезмерному току и внутреннему выделению газа; Зарядка при постоянном напряжении с первоначальным высоким пиком тока непосредственно повреждает батарею. Зарядка постоянным током/постоянным напряжением и ступенчатая зарядка постоянным током преодолевают эти недостатки и стали основными методами зарядки. Хотя обратная импульсная зарядка может устранить поляризацию, она отрицательно влияет на срок службы батареи и пока не получила широкого распространения.

Скорость заряда/разряда и условия отключения одинаково важны. Более высокие скорости разряда приводят к более быстрой потере емкости: после 300 циклов при температуре 0,5C, 1C и 2C скорость потери емкости составляет 10,5%, 14,2% и 18,8% соответственно. Это связано с тем, что высокая-скорость зарядки и разрядки приводит к замедлению диффузии ионов лития, что приводит к концентрационной поляризации и ускорению разрушения структур материала электрода и утолщению пленки SEI. Не менее важно и напряжение прекращения зарядки-: увеличение напряжения отключения-оксидных литий-кобальтовых аккумуляторов с 4,2 В до 4,9 В (K. Maher et al., 2024 *Китайский журнал электрохимии*) вызывает «фазовый переход» в структуре электрода (необратимое изменение кристаллической структуры материала), непосредственно приводящее к сокращению срока службы более чем на 50 %.

3. Температура: критическая переменная окружающей среды; как высокие, так и низкие температуры повреждают батареи.

Температура: В *Белой книге по циклическому сроку службы силовых батарей* 2024 года, опубликованной Институтом физики Китайской академии наук, показано, что оптимальная рабочая температура для литиевых батарей составляет 25±5 градусов. При температуре выше 50 градусов пленка SEI разлагается в три раза быстрее; ниже -10 градусов ионная проводимость электролита снижается на 80%, что приводит к значительному снижению емкости аккумулятора.

Последовательность: (2023, *Журнал автомобильной инженерии*) испытания показывают, что батареи со сроком службы одного элемента-1200 циклов достигают только 191 цикла после сборки в аккумуляторный блок-это эффект «самого слабого звена» в аккумуляторных блоках, когда один аккумулятор истощает всю систему.

Испытание срока службы литий-ионных-батарей часто занимает месяцы или даже годы, что приводит к чрезвычайно высоким затратам и неспособности удовлетворить быстрые потребности в разработке продукции, проверке качества продукции и обслуживании. Поэтому создание научных моделей прогнозирования жизни стало горячей темой исследований в отрасли. В настоящее время основные методы прогнозирования можно разделить на три категории в зависимости от источников информации, каждая из которых имеет свои преимущества, недостатки и применимые сценарии.

ACEY энергосбережение-тестер срока службы батареипредназначен для широкого спектра испытаний на старение аккумуляторных батарей и подходит для различных типов аккумуляторов, включая тройные, литий-железо-фосфатные, свинцово--кислотные, никель--металлогидридные и никель--кадмиевые. Это оборудование идеально подходит предприятиям по производству аккумуляторов для тестирования аккумуляторных модулей во время производства, а также для обнаружения сильноточной зарядки и разрядки в силовых аккумуляторных системах электромобилей и гибридных автомобилей. Он также используется для испытаний на сильноточную зарядку и разрядку-, оценки производительности аккумуляторов и ежедневного обслуживания аккумуляторных модулей на аккумуляторных заводах и зарядных станциях.

1. Прогнозирование на основе механизмов деградации мощности:Понимание внутренней сути, высокая точность, но высокий барьер входа

Суть этого метода — глубокое понимание механизмов физико-химических реакций внутри батареи. Создав математические модели для описания ключевых процессов, таких как потеря активного лития, рост пленки SEI и фазовые переходы материала электродов, можно спрогнозировать срок службы батареи.

2. Прогнозирование на основе характеристических параметров:Баланс между удобством и точностью посредством внешних сигналов

Этот метод не требует-углубленного изучения внутренних механизмов, а скорее использует изменения в контролируемых характеристиках параметров во время старения батареи, чтобы косвенно определить срок службы батареи. В настоящее время наиболее широко используемым характеристическим параметром является электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС). Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) может детально отражать состояние внутреннего импеданса батареи и имеет высокую точность прогнозирования. Однако испытательное оборудование чувствительно к внешним помехам, а спектральный анализ требует специальных знаний. Напротив, измерение импульсного импеданса проще и быстрее, что делает его пригодным для онлайн-мониторинга в реальном времени-и демонстрирует широкие перспективы применения в системах управления батареями (BMS) для транспортных средств на новых источниках энергии.

Основное преимущество этого метода заключается в том, что он сочетает в себе точность и удобство, не требует сложного механистического анализа, что делает его пригодным для инженерных приложений. Однако к его недостаткам относятся необходимость обширной экспериментальной проверки корреляции между характерными параметрами и сроком службы, различия в закономерностях между разными типами батарей и возможность повышения ее универсальности.

3. Прогнозирование-на основе данных:Опираясь на шаблоны больших данных, просто и практично, но ограничено данными

Этот метод не задействует внутренние механизмы батареи. Вместо этого он собирает большое количество данных испытаний цикла зарядки аккумулятора и использует машинное обучение, статистический анализ и другие алгоритмы для анализа закономерностей и тенденций в данных для построения прогнозной модели. В настоящее время основные модели включают модели временных рядов (например, модели AR), искусственные нейронные сети (ANN) и машины корреляционных векторов (RVM). Модель AR (аналоговая-регрессия) – это линейная модель, которая определяет текущее состояние на основе исторических данных. Однако снижение емкости аккумулятора демонстрирует нелинейную-линейную зависимость от количества циклов. Таким образом, Луо и др. предложил улучшенную нелинейную модель дополненной реальности, введя коэффициент ускоренной деградации, что значительно повышает точность прогнозирования.

Искусственные нейронные сети (ИНС) – это типичные нелинейные модели, состоящие из нескольких нейронов.- Они могут обрабатывать сложные взаимосвязи, включающие множество переменных и сильную связь, что делает их хорошо-подходящими для устранения неопределенностей при прогнозировании производительности аккумулятора. Машины векторов релевантности (RVM) относятся к методам регрессионного анализа данных. Они могут контролировать переобучение и недостаточное оснащение путем корректировки параметров и предоставлять результаты вероятностного прогнозирования, обеспечивая большую гибкость и надежность.

Достоинствами этого метода являются его простота и широкая применимость. Он не требует глубоких-глубоких знаний внутренней структуры аккумулятора; модель может быть построена на основе достаточных исторических данных. Однако очевидны и его недостатки: эффект прогнозирования сильно зависит от качества и охвата данных. Если данные необъективны или не охватывают ключевые условия эксплуатации, результаты прогнозирования могут иметь большие ошибки и не могут объяснить основную причину снижения срока службы.

Освоение следующих практических методов может эффективно замедлить скорость деградации литиевых батарей, сделав их более долговечными:

• Контроль температуры имеет решающее значение:Избегайте длительного воздействия на батарею температур выше 50 градусов. Летом избегайте попадания прямых солнечных лучей на автомобили, работающие на новых источниках энергии, и обеспечьте надлежащий отвод тепла от устройств хранения энергии. Зимой избегайте длительной работы аккумулятора при температуре ниже -10 градусов; Перед использованием рекомендуется предварительный нагрев.

• Бережная зарядка и разрядка:По возможности используйте щадящие методы зарядки, такие как зарядка постоянным током/постоянным напряжением или ступенчатая зарядка постоянным током, избегая быстрой-быстрой зарядки и разрядки. При ежедневном использовании избегайте полного разряда аккумулятора (глубокого разряда) и не храните его полностью заряженным в течение длительного времени. Поддержание уровня заряда батареи от 20% до 80% более способствует продлению срока службы батареи.

• Выбирайте высококачественные-аккумуляторы:При покупке новых энергетических продуктов отдавайте предпочтение продуктам известных брендов с хорошей-консистенцией отдельных элементов и разумной конструкцией рассеивания тепла, таких как CATL и EVE Energy, чтобы снизить риск деградации батареи от источника.

За сроком службы литиевых батарей стоит междисциплинарная интеграция материаловедения, электрохимии, управления температурным режимом и системной инженерии. Понимание влияющих факторов помогает нам лучше использовать литиевые аккумуляторы; Освоение методов прогнозирования может способствовать технологической модернизации отрасли.

Будь то проблема ухудшения запаса хода, которая беспокоит обычных потребителей, или технологические прорывы, к которым стремятся специалисты отрасли, срок службы литиевых батарей является основной темой, которую нельзя обойти.

Свяжитесь сейчас