A lítium-ion akkumulátorok nem igazán „termelnek” energiát úgy, ahogy a legtöbben gondolják. Azt csinálják, hogy reverzibilis elektrokémiai reakciókon keresztül tárolják az elektromos energiát, majd felszabadítják, amikor a külső áramkör áramot igényel. Az ezzel kapcsolatos zűrzavar gyakran felmerül a tervezési megbeszéléseken, különösen akkor, ha valaki először próbálja meg méretezni az akkumulátorcsomagot.
Két dolog történik a kiürítés során. Először is, a lítium-ionok a negatív elektródáról (anódról) az elektroliton és a szeparátoron keresztül a pozitív elektródára (katódra) vándorolnak. Másodszor, az elektronok a külső áramkörön keresztül áramlanak az anódról a katódra, hasznos munkát végezve. Töltés közben megfordítja a folyamatot egy külső feszültség alkalmazásával, amely az ionokat és az elektronokat az ellenkező irányú mozgásra kényszeríti.
A cella által termelt feszültség teljes mértékben az Ön által kiválasztott elektródaanyagoktól és azok elektrokémiai potenciáljától függ. Egy friss, terhelés nélkül a polcon ülő cella nyitott-áramköri feszültsége-a legtöbb lítium-ion kémia esetében jellemzően 3,6–3,7 V körül van, bár ez a szám a töltési állapottól és a hőmérséklettől függően változik. A terhelés csatlakoztatása és az áramfelvétel megkezdése után a feszültség csökken a belső ellenállás miatt. Mennyit csökken, sokat elárul a sejt egészségéről.
Sejtkémia alapjai
Minden lítium-ion cella ugyanazt az alapvető működési elvet használja, de a kémia nagyon eltérő. A katód anyaga nagymértékben meghatározza a cella teljesítményjellemzőit-az energiasűrűséget, a teljesítményt, a ciklus élettartamát, a hőstabilitást és a költségeket.
A réteges oxidkatódok voltak az első kereskedelmi kémia. A Sony 1991-ben vezette be őket a LiCoO₂-val (lítium-kobalt-oxid), amelyet még mindig használnak a fogyasztói elektronikában, ahol az energiasűrűség többet számít, mint a költségek vagy a biztonsági ráhagyás. Ezek a cellák cellaszinten nagyjából 150-200 Wh/kg-ot tesznek ki. A kobalt azonban drága, és a kémia 150 fok felett instabillá válik. Láttuk, hogy a hőkezelés már 130 fokos hőmérsékleten megindul a bántalmazott cellákban.
A jobb biztonságra és az alacsonyabb költségekre való törekvés az 1990-es évek közepén a LiMn₂O₄-hoz (lítium-mangán-oxid) vezetett. A mangán piszok olcsó, és a spinell szerkezete eleve stabilabb. Ezek a sejtek nem futnak el, amíg általában nem haladja meg a 250 fokot. A kompromisszum? Az energiasűrűség 100-120 Wh/kg-ra csökken, és idővel a mangán feloldódik az elektrolitban, különösen magas hőmérsékleten. A ciklus élettartama szenved – talán 300-700 ciklust nézel, mielőtt a kapacitás 80% alá csökken.
A LiFePO₄ (lítium-vas-foszfát) 2001 körül jelent meg, és megváltoztatta a biztonsági beszélgetést. Az olivin szerkezete kőzet-termikusan szilárd; 270 fok feletti hőemelkedés nem következik be, és akkor is kevésbé heves. A ciklus élettartama kiemelkedő – 2, 000+ ciklus 80%-os kapacitásig szabványos, és egyes cellákat 5000 cikluson túl teszteltek. Hátránya a feszültség: csak 3,2 V névleges, és az energiasűrűség 90-120 Wh/kg-ra van korlátozva. Emellett a foszfátszabadalom helyzete évekig zavaros volt.
Az NMC (lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid) és az NCA (lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid) „kiegyensúlyozott” kémiaként jelent meg. A nikkel, a mangán és a kobalt különböző arányú keverésével{1}}gyakori az NMC 111, 532, 622 és 811, ahol a számok a relatív fémtartalmat jelzik,-beállíthatja a teljesítményt. A magasabb nikkeltartalom 200-250 Wh/kg felé tolja az energiasűrűséget, de a termikus stabilitás és a ciklus élettartama rovására. Az NMC 811 cellák elérhetik a 250 Wh/kg-ot, de sokkal körültekintőbb hőkezelést igényelnek.
Az anód oldalon a grafit az első nap óta a szabvány. Az elméleti kapacitás 372 mAh/g, a kereskedelemben kapható cellák pedig jellemzően 340-360 mAh/g. A lítium a töltés során a grafénrétegek közé interkalálódik, és nagyjából 10%-kal megnöveli a grafit térfogatát. Ez a mechanikai igénybevétel hozzájárul a kapacitás csökkenéséhez a kerékpározás során.
A szilícium anódok a "következő nagy dolog" már körülbelül tizenöt éve. A szilícium elméleti kapacitása 4200 mAh/g{3}}több mint a grafit tízszerese. A probléma az, hogy a szilícium 300%-kal tágul, amikor elnyeli a lítiumot. Ez néhány ciklus után széttöri az anódot. A jelenlegi megközelítések szilícium-grafitkeverékeket használnak, amelyek szilíciumtartalma általában 10% alatti, hogy a tágulás kezelhető legyen. Ennek ellenére az első-ciklus visszafordíthatatlan kapacitásvesztése 15-25% szilíciumtartalmú anódoknál, szemben a tiszta grafit 5-10%-ával.
Cellák felépítése és formátumai
A legtöbb ember valószínűleg a hengeres cellákat képzeli el, amikor „akkumulátorra” gondol. Az 18650-es formátum (18 mm átmérő, 65 mm hosszú) azután vált mindenütt elterjedtté, hogy a laptopgyártók a 2000-es évek elején szabványosították. A Tesla híresen több ezret használt belőlük az eredeti Roadsterben. A tipikus 18650-es kapacitás 2000-3500 mAh-t fut a kémiától és attól függően, hogy energiára vagy teljesítményre optimalizálja.
Az újabb 21700-as formátum (21 mm × 70 mm), amelyet a Tesla és a Panasonic közösen fejlesztett ki, körülbelül 50%-kal több energiát kínál cellánként (4000-5000 mAh). A nagyobb átmérő növeli az aktív anyag és az inaktív komponensek (áramgyűjtők, kannák, biztonsági berendezések) arányát, javítva az energiasűrűséget a csomag szintjén. A gyártósorokat át kellett alakítani, ennek is köszönhető, hogy az átvétel eltartott egy ideig.
A prizmatikus cellák az autóipar jobb helykihasználás iránti vágyából származtak. Ahelyett, hogy megtöltene egy dobozt hengerekkel, és ott hagyná az üres teret, téglalap alakú cellákat készít, amelyek hatékonyan egymásra rakódnak. Az autóipari-prizmás cellák kapacitása 20 Ah-tól több mint 100 Ah-ig terjed. Csomagolási szempontból könnyebben kezelhetők-, mivel hűtőlemezeket közvetlenül a lapos oldalakra helyezhet. Hátránya, hogy kevesebb kosárban van az összes tojása,{8}}ha egy nagy prizmatikus cella meghibásodik, akkor több kapacitást veszít, mintha egy kis hengeres cella meghibásodik.
A tasakcellák tovább viszik a helyhatékonysági ötletet azáltal, hogy teljesen kiiktatják a fémdobozt. A cella rugalmas alumínium{1}}laminált tasakban van lezárva. Ezzel talán 10-15% súlyt takaríthat meg a prizmatikus kannához képest, és a formátum rendkívül rugalmas – bármilyen méretű vagy formájúvá alakíthatja, amilyet az alkalmazás igényel. Az elektromos autógyártók kedvelik őket, mert közvetlenül a hűtőlemezekbe rakhatja őket. A gyengeség mechanikai: külső összenyomásra van szükségük, hogy megakadályozzák az elektródák leválását a kerékpározás során, és érzékenyebbek a szúrásos sérülésekre.
Elválasztó technológia
Az elválasztó nem kap nagy figyelmet, de vitathatatlanul ez a legkritikusabb biztonsági alkatrész. Ez egy vékony (általában 16-25 μm) porózus membrán, amely megakadályozza az anód és a katód érintkezését, miközben átengedi a lítium-ionokat. A korai szeparátorok egyrétegű polietilén (PE) vagy polipropilén (PP) voltak.
A modern, nagy teljesítményű{0}}elválasztók háromrétegű szerkezeteket használnak, jellemzően PP/PE/PP. A PE réteg olvadáspontja alacsonyabb (135 fok), mint a PP (165 fok). Ha a cella túlmelegszik, a PE megolvad és kitölti a pórusokat, leállítja az iontranszportot, mielőtt a hőmérséklet elérné a veszélyes szintet. Ezt termikus leállásnak hívják, és ez az utolsó védelmi vonal a hőkifutás előtt.
A kerámia bevonatú{0}}leválasztók további biztonsági ráhagyást adnak. A vékony (2-4 μm) alumínium-oxidból vagy más kerámiarészecskékből álló bevonat a szeparátor egyik vagy mindkét oldalán megőrzi szerkezeti integritását akkor is, ha a polimer megolvad. A bevonat elég porózus ahhoz, hogy az iontranszport folytatódjon, de megakadályozza az elektróda rövidzárlatát még 150 fok feletti hőmérsékleten is. Hátránya, hogy a költséges-kerámia-bevonatú szeparátorok 2-3-szorosára futnak a normál szeparátorok árának – és valamivel nagyobb impedanciával.
A porozitás általában 40{5}}50%. Túl alacsony és az ionellenállás megnő, ami korlátozza a teljesítményt. A túl magas és a mechanikai szilárdság szenved. A pórusméret-eloszlás is számít; a Gurley-szám (levegőáteresztő-vizsgálat) szabványos specifikáció. A legtöbb EV-kategóriás elválasztó 200-400 másodperc/100cc cél.
Az elektrolit összetétele és adalékai
A lítium-ion cellában lévő elektrolit összetettebb, mint gondolnád. Az alapformuláció jellemzően egy lítium-só -LiPF₆ (lítium-hexafluor-foszfát) a sejtek 95%-ában-, szerves karbonátok keverékében oldva. A gyakori oldószerek közé tartozik az etilén-karbonát (EC), a dimetil-karbonát (DMC), a dietil-karbonát (DEC) és az etil-metil-karbonát (EMC).
A LiPF₆ koncentrációja általában 1,0-1,2 M (moláris). A magasabb koncentráció egy pontig javítja az ionvezetőképességet, de körülbelül 1,3 M felett alacsony hőmérsékleten sókiválás kezdődik. A LiPF₆ problémái vannak, -nedvességre érzékeny-, és 60 fok felett bomlásnak indul, -de az olyan alternatívák, mint a LiBOB vagy a LiFSI, még nem váltották ki a költségek vagy más kompromisszumok miatt.
A karbonát oldószerkeveréket az alkalmazáshoz hangolják. Az EC nagy dielektromos állandóval és jó SEI{1}}képző tulajdonságokkal rendelkezik, de 36 fokon lefagy. Alacsonyabb-viszkozitású karbonátokkal, például DMC-vel vagy EMC-vel kell keverni az alacsony hőmérsékleti teljesítmény fenntartásához. Tipikus összetétel lehet EC:DMC 1:1 térfogatarány vagy EC:EMC 3:7. A pontos arányok szabadalmazottak és szigorúan őrzöttek.
Az adalékanyagokban történik az igazi kémiai varázslat. A modern elektrolitok 2-5 tömegszázalék különböző adalékanyagokat tartalmaznak, amelyek módosítják a SEI képződést, megakadályozzák a túltöltést, elnyomják a gázképződést vagy javítják a magas hőmérsékleti stabilitást. Az 1-2%-os vinilén-karbonát (VC) szinte univerzális a grafit anódok SEI minőségének javítására. A fluor-etilén-karbonát (FEC) jobban működik a szilíciumtartalmú anódoknál. Ezek a vegyületek előnyösen redukálódnak a kezdeti töltési ciklusok során, és védőréteget képeznek az anódon, amely ionosan vezető, de elektronikusan szigetelő.
A túltöltés elleni védő adalékok, mint például a bifenil vagy a ciklohexilbenzol, 4,5 V körül kezdenek polimerizálni, és egy belső söntöt hoznak létre, amely megakadályozza a feszültség további emelkedését. Ez némi védelmet nyújt, ha a BMS meghibásodik, bár a ráhagyatkozás nyilvánvalóan nem a legjobb tervezési gyakorlat.
Szilárd elektrolit interfész kialakulása
A SEI valószínűleg a legkevésbé megértett, de a legfontosabb szempont a lítium-ion akkumulátorok működésében. Az első néhány töltési ciklus során az elektrolit komponensek reakcióba lépnek az anód felületével, és passzivációs réteget képeznek. Ez a réteg kritikus: ionosan vezetőnek kell lennie (hogy átengedje a lítiumionokat), de elektronikusan szigetelőnek kell lennie (az elektrolit további bomlásának megakadályozása érdekében). A SEI összetétele több tucat lítium-só, szerves vegyület és polimer összekeverése egy 10-100 nm vastag rétegben.
A jó SEI képződés a különbség az 500-szor és a 3000-szeres ciklusú sejt között. A probléma az, hogy a SEI nem statikus. Az anód térfogatváltozásai során megreped, így friss felület szabadul fel, amely több elektrolitot és lítiumot fogyaszt a sérülések kijavításához. Ez az oka annak, hogy a kapacitás elhalványul a kerékpározáshoz képest még akkor is, ha kíméletes a cellával.
A formázási ciklus egy kritikus gyártási lépés. A cellák egy vagy több lassú töltési{1}}kisülési cikluson mennek keresztül szabályozott hőmérsékleten, hogy létrehozzák a kezdeti SEI-t. A formálási protokollok szabadalmazottak, de az első-ciklusos töltési sebesség általában C/20-C/10, és a folyamat 24-48 órát is igénybe vehet. A gyártók optimalizálják a formációs feszültség határait, a hőmérsékletet, a pihenőidőket és a ciklusmintákat, hogy a lehető legstabilabb SEI-t állítsák elő. Ennek a hibának a megszerzése a ciklus élettartamába kerül.
A naptáröregedés -kapacitásvesztése még akkor is, ha a cella éppen ott van-, szintén nagyrészt SEI jelenség. A SEI továbbra is lassan növekszik nyitott áramkörben, és ciklikus lítiumot fogyaszt. A magas töltöttségi állapotú és magas hőmérsékleten történő tárolás felgyorsítja ezt. Egy 100%-os SOC-on és 60 fokon tárolt cella 20%-os kapacitást veszíthet egy év alatt, míg ugyanaz a cella 50%-os SOC-on és 25 fokon 3%-ot veszíthet.
Töltési protokollok és akkumulátorkezelés
A lítium-ion cellák érzékenyek a túltöltésre, a túl-kisülésre és a nem megfelelő hőmérsékleten történő töltésre. Ez az oka annak, hogy minden több-cellás akkumulátorcsomagnak szüksége van egy BMS-re (akkumulátorkezelő rendszerre).
A szabványos töltési mód az állandó áram/állandó feszültség (CC-CV). A CC fázisban az áramot fix sebességgel-nyomja be a cellába, a legtöbb cella esetében jellemzően 0,5 C és 1 C között van, bár néhány nagy{5}}teljesítményű cella képes kezelni a 3 C-ot vagy többet is. A feszültség emelkedik, ahogy a cella töltődik. Amikor a feszültség eléri a felső határt (4,2 V a legtöbb kémia esetében, 3,65 V LFP, 4,3 V vagy 4,35 V egyes nagy{13}}energiájú NMC-változatoknál), akkor CV módba vált. Az áramerősség csökken, ahogy a cella a teljes feltöltődéshez közeledik, és általában akkor kapcsol le, ha az áram C/20 vagy C/50 alá esik.
A gyorstöltés bonyolultabb. A magasabb töltési sebesség felgyorsítja az anód lítiumbevonatát, ami veszélyes-a fém lítium nagyon reaktív, és belső rövidzárlathoz vagy dendritképződéshez vezethet, amely behatol a szeparátorba. A biztonságos gyors-töltéshez meg kell értenie, hogy a feszültség, az áramerősség és a hőmérséklet hogyan hatnak egymásra a lítiumbevonat kezdeti körülményeivel.
A probléma az, hogy a lítium bevonatot nem lehet közvetlenül egy lezárt cellában mérni. Más jelekből kell következtetned. Az egyik megközelítés az anódpotenciál követése a fém lítium referenciával szemben. Ha az anódpotenciál 0 V alá csökken a Li/Li⁺-hez képest, akkor bevonat történik. A probléma az, hogy a legtöbb kereskedelmi cellában nincs referenciaelektróda.
A gyorstöltés során a hőmérséklet-emelkedés is számít. Egy 2 C-on töltődő cella belső hőmérséklete 15-20 fokkal a környezeti szint fölé emelkedhet még aktív hűtés mellett is. Hideg hőmérsékleten ez valóban hasznos,-a hideg cella (mondjuk -10 fok) nagyon gyenge teljesítményű, de ha mérsékelt (0,5 C) töltéssel fel tudja melegíteni, akkor a teljesítmény javul. Egyes elektromos járművek ezt szándékosan teszik: hideg időben rövid, nagy áramerősségű töltőimpulzust indítanak, hogy felmelegítsék az akkumulátort, mielőtt a vezető nagy teljesítményt igényelne a gyorsításhoz.
A sejtek kiegyensúlyozására azért van szükség, mert a soros cellák soha nem maradnak tökéletesen illeszkedve. A gyártási tűréshatárok, az önkisülési arányok kis eltérései{1}} és a csomagon belüli termikus gradiensek feszültségeltolódást okoznak. Ha kiegyenlítés nélkül tölt fel egy soros sztringet, néhány cella előbb éri el a felső feszültséghatárt, mint mások. Az erős cellák alul, a gyenge cellák túltöltöttek, és a teljesítmény csökken.
A passzív kiegyenlítés ellenállásokat használ a nagyobb{0}}feszültségű cellák energiájának elszívására. Egyszerű és olcsó, de hőként pazarolja az energiát. Az aktív kiegyenlítés DC-DC átalakítókat vagy kondenzátorokat használ az energia átvitelére a magas cellákról az alacsony cellákra. Hatékonyabb, bonyolultabb, drágább. Egy 400 V-os EV-csomag esetében a passzív kiegyensúlyozás 50-100 W-ot veszíthet el folyamatosan, ami a hajtási teljesítményhez képest elhanyagolható, de idővel összeadódik.
Hőgazdálkodási szempontok
A lítium-ion cellában a hőtermelés három forrásból származik: irreverzibilis hő (belső ellenállásból származó Joule-melegedés), reverzibilis hő (az elektrokémiai reakció entrópiaváltozása) és a mellékreakciókból származó hő. Alacsony és közepes C{1}}sebességek esetén a reverzibilis hő dominál. Magas C-sebességnél visszafordíthatatlan hő veszi át az uralmat.
A reverzibilis hő kifejezés azért érdekes, mert SOC függvényében előjelet vált. A legtöbb lítium-ion kémia esetében a töltés alacsony SOC mellett hőt termel, de magas SOC mellett elnyeli a hőt. A kisütés az ellenkezőjét teszi. A keresztezési pont általában 50-60% SOC körül van. Emiatt előfordulhat, hogy a cella hőmérséklete a töltés utolsó fázisában csökken, ha az áramerősség elég alacsony.
A belső ellenállás a hőmérséklet, az SOC és az öregedés függvényében változik. 25 fokos hőmérsékleten egy friss 18650-es cella 40-60 milliohmos egyenáramú ellenállással rendelkezhet. -20 fokon ez 200-300 milliohmra ugorhat. Ez az oka annak, hogy hideg időben az elektromos járművek hatótávolsága olyan drámaian csökken. Nem csak a kémia lassabb alacsony hőmérsékleten, de a belső ellenállás növekedése azt is jelenti, hogy az akkumulátor energiája több hőt veszít el a cellában.
A termikus kifutási küszöb a kémiától függ. Az NMC sejteknél az exoterm bomlási reakciók 180-220 fok körül kezdődnek. Az indítás után a hőmérséklet másodpercenként 10-50 fokkal emelkedhet, elérheti a 800 fokot vagy még magasabbat is. Az LFP sokkal biztonságosabb; A termikus kifutás kezdete 270 +, és az elért maximális hőmérséklet alacsonyabb.
A csomagban lévő sejtek közötti szaporodás az igazi veszély. Ha egy cella hőkiürítésbe kerül, felmelegíti a szomszédait. Az, hogy a szomszédos cellák is elfutnak-e, a hűtési képességtől, a cellatávolságtól és a szigeteléstől függ. Az UL 9540A terjedési teszt ezt szimulálja úgy, hogy egy cellát hőkiürítésre kényszerít, és figyeli, hogy követik-e a szomszédos cellákat. A jó csomagtervezés egy cella vagy legfeljebb egy kis modul meghibásodását tartalmazza.
A hűtési stratégiák eltérőek. A léghűtés a legegyszerűbb-levegőt fújni a cellákra vagy a csomagokra. Rendben működik alacsony fogyasztássűrűségű alkalmazásokhoz, például PHEV-ekhez vagy energiatároló rendszerekhez. Folyékony hűtés szükséges a nagy teljesítményű elektromos járművekhez-. A legtöbb kivitel 50:50 arányú víz-glikol keveréket használ percenként 10-25 liter sebességgel hideglemezeken vagy hűtőcsatornákon keresztül. A bemeneti hőmérséklet általában 20-35 fok között van szabályozva. Az akkumulátor egység hőmérsékleti gradiensének 5 fok alatt kell maradnia a maximum és minimum között, hogy elkerülje a legforróbb cellák felgyorsult öregedését.
Egyes kísérleti tervek hűtőközeges hűtést, dielektromos folyadékba merülő hűtést vagy fázisváltó anyagokat{0}} alkalmaznak. A hűtőközeges hűtés több hőt vonhat ki, de bonyolultabb váltakozó áramú rendszert igényel. A merülőhűtés kiváló hőátbocsátási együtthatókkal rendelkezik (500-2000 W/m²K szemben a 50-150 W/m²K közvetett folyadékhűtéssel), de a tömítés és a folyadékkompatibilitás kihívást jelent. A PCM-ek passzívan működnek, de végül vissza kell utasítaniuk a tárolt hőt, így főként a gyorstöltés vagy erős gyorsítás közbeni átmeneti hűtést segítik.
Teljesítményromlás és meghibásodási módok
A kapacitás fade és az impedancia növekedése a két fő degradációs mechanizmus. Ezeket egyidejűleg több különböző fizikai és kémiai folyamat okozza.
Az anód oldalon a SEI növekedés ciklikus lítiumot és elektrolitot fogyaszt, növelve az ellenállást. Grafit hámlás léphet fel, ha a cellát alacsony hőmérsékleten töltik fel-a grafit felületén lévő lítiumlemezekkel, ahelyett, hogy beágyazódna, és amikor végül mégis interkalálódik, széttöri a grafit szerkezetét. Ez gyakran visszafordíthatatlan. A kötőanyag bomlása megemelt hőmérsékleten a részecskék közötti elektromos érintkezés elvesztését okozza.
A katód lebomlása magában foglalja az átmenetifémek feloldódását (különösen a mangán LMO-ban vagy a mangán{0}}tartalmú NMC-ben), a szerkezeti változásokat az ismételt lítium beillesztésből/kivonásból, valamint a felületi rekonstrukciót a magas-nikkeltartalmú katódok esetében. Az oldott átmeneti fémek az anódhoz vándorolnak, ahol katalizálják a SEI növekedését, így a katód lebomlása közvetve felgyorsítja az anód lebomlását.
Nagyobb probléma az elektrolit bomlása és a gázképződés magas feszültségen és magas hőmérsékleten. A közönséges gázok közé tartozik a CO₂, CO és a karbonátbomlásból származó különféle szénhidrogének. A tasakos cellákban látni fogja, hogy a tasak láthatóan megduzzad. A kemény tokozású hengeres vagy prizmás cellákban a nyomás a biztonsági szellőzőnyílás kinyílásáig emelkedik (általában 10-15 bar-nál).
A lítiumkészlet elvesztése egy fő elhalványulási mechanizmus. Minden alkalommal, amikor a SEI megnő vagy visszafordíthatatlanul lítiumlemez az anódon, egy kis lítium kikerül a körbeforgatható lítium medencéből. Végül elfogy, és a kapacitás csökken.
A belső rövidzárlatok hirtelen meghibásodásokat okozhatnak. A legtöbb rövidnadrág kicsiben kezdődik,-egy apró fémrészecske átszúrja az elválasztót, vagy egy lítium-dendrit nő át rajta. A short hot spotot hoz létre, ami lokálisan felgyorsítja a degradációt, ami rontja a shortot, és pozitív visszacsatolási hurkot kap. Néha a sejt ön-meggyógyul, ha a zárlat feloldódik. Máskor termikus szökéssé fejlődik.
A köröm behatolási tesztek (acélszeg átkényszerítése feltöltött cellán) egy szokásos visszaélési teszt. Az LFP-sejtek jellemzően nem mennek el a köröm behatolása miatti termikusan. Az NMC cellák gyakran ezt teszik, bár a jobb elválasztókkal és alacsonyabb fajlagos energiával rendelkező tervek néha áthaladhatnak.
Az 5. ábra a kapacitásmegtartást ábrázolja a ciklusszám függvényében több vegyi anyag esetében mérsékelt cikluskörülmények között (1C töltés/kisütés, 25 fok, 100% DOD).
A terhelt állapot és az egészségi állapot becslése
Nem lehet közvetlenül megmérni, hogy mennyi energia van egy lítium-ion cellában. Meg kell becsülnie más mérésekből: feszültség, áramerősség és hőmérséklet.
A legegyszerűbb SOC becslési módszer a feszültség{0}}alapú. Mindegyik kémiának van egy jellemző nyitott-áramköri feszültsége az SOC-görbével szemben. Mérje meg a feszültséget, miután a cella egy ideig pihent (hogy hagyja, hogy a tranziens feszültség csökkenjen a belső ellenállásból), nézze meg az OCV görbén, és ismeri a SOC-t. A probléma az, hogy a valódi alkalmazásokban ritkán van ideje pihenni a cellának.
A Coulomb-számlálás a standard módszer. Integrálja az áramot az idő múlásával a töltés nyomon követéséhez. Ha egy ismert SOC-ból indul ki, bármikor kiszámíthatja az új SOC-t. A pontosság az aktuális érzékelőtől (±0,5% jellemző) és a valódi kapacitás ismeretétől függ. A hibák idővel felhalmozódnak, ezért rendszeresen újra kell kalibrálnia egy teljes töltési vagy kisütési ciklussal.
A modell{0}}alapú módszerek a cella egyenértékű áramköri vagy elektrokémiai modelljét használják. Megméri a kapocsfeszültséget és áramerősséget, végigfuttatja ezeket a modellen, és kivonja a belső állapotokat, beleértve az SOC-t is. Gyakoriak a kiterjesztett Kálmán-szűrők vagy hasonló állapotmegfigyelők. Ezek a megközelítések nagyon pontosak lehetnek (±2% SOC hiba), de jó modelleket és jelentős számítási erőforrásokat igényelnek.
Az SOH becslése nehezebb, mert megpróbálja számszerűsíteni a degradációt, amely lassú és fokozatos. A kapacitás fade és az impedancia növekedése nem feltétlenül korrelál lineárisan egymással vagy a ciklusszámmal. Egy sokat-gyorsan feltöltött cella impedanciája nagy lehet, de a kapacitás csak mérsékelten csökken. A magas SOC/hőmérsékleten tárolt cella kapacitása jelentős mértékben csökkenhet, de az impedancia növekedése viszonylag alacsony.
Az iparági gyakorlat szerint az SOH-t a kapacitás alapján határozzák meg: egy cella eredeti kapacitásának 80%-ánál 80%-os SOH-nál van, és ezt gyakran tekintik az EV-alkalmazások --élettartamának végének. A cella továbbra is működik, de a hatótávolság 20%-kal csökkent. Energiatároló alkalmazásokhoz a cellák 60-70%-os SOH-ig használhatók.
Egyes BMS-ek rendszeres időközönként kapacitásellenőrzéseket végeznek,{0}}hogy teljesen lemerítsék az akkumulátort, és mérik a kibocsátott energiát. Ez pontos, de tolakodó (az akkumulátor nem elérhető a teszt alatt), és órákig tart. Más megközelítések a kapacitást közvetetten feszültséggörbékből, impedanciamérésekből vagy coulombikus hatékonyságból próbálják megbecsülni.
A belső ellenállás mérhető áramimpulzus alkalmazásával és feszültségválasz mérésével, vagy kis váltóáramú jel injektálásával különböző frekvenciákon (elektrokémiai impedancia spektroszkópia). Az EIS sokkal több információt ad, de speciális hardvert igényel, amely ritkán található meg a kereskedelmi BMS-ekben.
Második-Life alkalmazások és újrahasznosítás
Amikor az elektromos járművek akkumulátora eléri az élettartama--végét (általában az eredeti kapacitás 70-80%-át), akkor is tökéletesen működik a kevésbé igényes alkalmazásokhoz. A másodlagos akkumulátorhasználat egyre nagyobb teret hódít a helyhez kötött energiatároláshoz.
A közgazdaságtan trükkös. A kivont csomagot tesztelni kell, esetleg újragyártani (a BMS-t, hűtőrendszert vagy a sérült modulokat cserélni), az új alkalmazáshoz tanúsítania kell, és garanciát kell vállalnia. Mindez pénzbe kerül. Ahhoz, hogy a második-életnek értelme legyen, a felújított csomagnak lényegesen kevesebbe kell lennie, mint egy új, helyhez kötött használatra tervezett csomagnak. A költségek akkor is csökkennek, ha a felújítás kevesebb mint 40-50%-át teszi ki az új csomagköltségnek, attól függően, hogy kinek az elemzésében hisz.
Az elhasznált cellák tesztelése nem-triviális. Egy modul több száz cellát tartalmazhat párhuzamosan-sorolva. Egyenként nem lehet könnyen tesztelni őket. Tesztelheti a modult egységként, de egy rossz cella elfedheti magát. Néhány leromlási módot nehéz észlelni roncsolásos vizsgálat nélkül. Felmerül a felelősség kérdése is: ha egy második{7}}élettartamú akkumulátor kigyullad, ki a felelős?
Az újrahasznosítás az életút-végső-vége. A jelenlegi nagyszabású-újrahasznosítás pirometallurgiát (olvasztás) vagy hidrometallurgiát (kémiai kilúgozás) alkalmaz. A pirometallurgia egyszerűbb, de kevésbé szelektív,{5}}kevert fémötvözeteket kap, amelyek további finomítást igényelnek. A hidrometallurgia az egyes fémeket nagyobb tisztasággal tudja visszanyerni, de több lépést igényel, és vegyi hulladékot termel.
Az újrahasznosítás gazdaságossága nagymértékben függ a fémáraktól. A kobalt értékes (körülbelül 30-40 USD/kg, bár az árak vadul ingadoznak), ezért a kobaltban-dús vegyszerek újrahasznosítása gazdaságilag életképes. A nikkelt érdemes nagymértékben újrahasznosítani. A mangán, a vas és az alumínium alacsony értékű-fémek, ezért az újrahasznosításnak elsősorban azért van értelme, hogy ne kerüljenek hulladéklerakókba. A lítium érdekes – kilogrammonként nem különösebben értékes, de az ellátási korlátok vonzóvá teszik a hasznosítást.
A közvetlen újrahasznosítás-az akkumulátor szétszerelése, valamint a katód- vagy anódanyag közvetlen újrafelhasználása anélkül, hogy fémsókká bomlik volna-, nagyon népszerű kutatási terület. Ha visszanyerné a katódport használható formában, megtakarítaná a katódszintézis energiáját és költségeit. A kihívások közé tartozik az aktív anyag elkülönítése a jelenlegi gyűjtőktől és kötőanyagoktól, valamint annak a ténynek a kezelése, hogy az újrahasznosított anyag különböző gyártók, korú és vegyi anyagok keveréke.
