Анализ деградации коммерческих литий-ионных аккумуляторов при длительном хранении. Литий-ионные батареи стали незаменимыми в различных отраслях промышленности благодаря высокой плотности энергии и эффективности. Однако со временем их характеристики ухудшаются, особенно при длительном хранении. Понимание механизмов и факторов, влияющих на это ухудшение, имеет решающее значение для оптимизации срока службы батарей и повышения их эффективности. Данная статья посвящена анализу деградации коммерческих литий-ионных батарей при длительном хранении и предлагает практические стратегии, позволяющие смягчить снижение производительности и продлить срок службы батареи.
Основные механизмы деградации:
Саморазряд
Внутренние химические реакции в литий-ионных батареях приводят к постепенной потере емкости даже в состоянии покоя. Этот процесс саморазряда, хотя обычно и протекает медленно, может быть ускорен повышенной температурой хранения. Основной причиной саморазряда являются побочные реакции, вызываемые примесями в электролите и незначительными дефектами в материалах электродов. Если при комнатной температуре эти реакции протекают медленно, то при повышении температуры на каждые 10°C их скорость удваивается. Поэтому хранение батарей при температуре выше рекомендуемой может значительно увеличить скорость саморазряда, что приведет к существенному снижению емкости перед использованием.
Электродные реакции
Побочные реакции между электролитом и электродами приводят к образованию слоя твердого электролита (SEI) и разрушению электродных материалов. Слой SEI необходим для нормальной работы батареи, но при высоких температурах он продолжает утолщаться, потребляя ионы лития из электролита и увеличивая внутреннее сопротивление батареи, что снижает ее емкость. Кроме того, высокие температуры могут дестабилизировать структуру электродного материала, вызывая трещины и разложение, что еще больше снижает эффективность и срок службы батареи.
Потеря лития
Во время циклов заряда-разряда некоторые ионы лития оказываются навсегда запертыми в решетке материала электрода, что делает их недоступными для будущих реакций. Эта потеря лития усугубляется при высоких температурах хранения, поскольку высокая температура способствует тому, что большее количество ионов лития необратимо встраивается в дефекты решетки. В результате количество доступных ионов лития уменьшается, что приводит к снижению емкости и сокращению срока службы.
Факторы, влияющие на скорость деградации
Температура хранения
Температура является основным фактором, определяющим деградацию батареи. Чтобы замедлить процесс деградации, батареи следует хранить в прохладной, сухой среде, в идеале в диапазоне от 15 до 25 °C. Высокая температура ускоряет скорость химических реакций, увеличивает саморазряд и образование слоя SEI, тем самым ускоряя старение батареи.
Состояние заряда (SOC)
Поддержание частичного уровня SOC (около 30-50%) во время хранения минимизирует напряжение на электродах и снижает скорость саморазряда, тем самым продлевая срок службы батареи. Как при высоком, так и при низком уровне SOC напряжение материала электрода возрастает, что приводит к структурным изменениям и увеличению числа побочных реакций. Частичное SOC уравновешивает напряжение и активность реакций, замедляя скорость деградации.
Глубина разгрузки (DOD)
Батареи, подвергающиеся глубоким разрядам (высокая DOD), деградируют быстрее по сравнению с батареями, подвергающимися неглубоким разрядам. Глубокие разряды вызывают более значительные структурные изменения в электродных материалах, образуя больше трещин и побочных продуктов реакции, что увеличивает скорость деградации. Избегание полной разрядки батарей во время хранения помогает смягчить этот эффект и продлить срок службы батареи.
Календарный возраст
Батареи естественным образом разрушаются со временем под воздействием присущих им химических и физических процессов. Даже при оптимальных условиях хранения химические компоненты батареи постепенно разлагаются и выходят из строя. Правильные методы хранения могут замедлить этот процесс старения, но не могут полностью его предотвратить.
Методы анализа деградации:
Измерение затухания емкости
Периодическое измерение разрядной емкости батареи - это простой метод отслеживания ее деградации с течением времени. Сравнение емкости батареи в разные периоды времени позволяет оценить скорость и степень ее деградации, что дает возможность своевременно принять меры по техническому обслуживанию.
Электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС)
Этот метод анализирует внутреннее сопротивление батареи, давая подробное представление об изменениях свойств электродов и электролита. EIS может обнаружить изменения во внутреннем сопротивлении батареи, помогая определить конкретные причины деградации, такие как утолщение слоя SEI или ухудшение свойств электролита.
Посмертный анализ
Разборка деградировавшей батареи и анализ электродов и электролита с помощью таких методов, как рентгеновская дифракция (XRD) и сканирующая электронная микроскопия (SEM), позволяет выявить физические и химические изменения, происходящие во время хранения. Посмертный анализ позволяет получить подробную информацию о структурных и композиционных изменениях в батарее, что помогает понять механизмы деградации и улучшить конструкцию батареи и стратегии ее обслуживания.
Стратегии смягчения последствий
Прохладное хранение
Храните батареи в прохладном, контролируемом помещении, чтобы свести к минимуму саморазряд и другие зависящие от температуры механизмы деградации. В идеале следует поддерживать температуру в диапазоне от 15°C до 25°C. Использование специального охлаждающего оборудования и систем контроля окружающей среды может значительно замедлить процесс старения батареи.
Накопитель частичного заряда
Поддерживайте частичный уровень SOC (около 30-50%) во время хранения, чтобы снизить нагрузку на электроды и замедлить деградацию. Для этого необходимо установить соответствующие стратегии зарядки в системе управления батареей, чтобы обеспечить поддержание оптимального диапазона SOC.
Регулярный мониторинг
Периодически контролируйте емкость и напряжение батареи, чтобы выявить тенденции к ухудшению состояния. По мере необходимости выполняйте корректирующие действия на основе этих наблюдений. Регулярный мониторинг может также обеспечить раннее предупреждение о потенциальных проблемах, предотвращая внезапные отказы батареи во время использования.
Системы управления аккумуляторами (BMS)
Используйте BMS для мониторинга состояния батареи, контроля циклов заряда-разряда и реализации таких функций, как балансировка элементов и регулирование температуры во время хранения. BMS может определять состояние батареи в режиме реального времени и автоматически регулировать рабочие параметры для продления срока службы батареи и повышения безопасности.
Заключение
Всестороннее понимание механизмов деградации, влияющих факторов и внедрение эффективных стратегий по их снижению позволит вам значительно улучшить управление долгосрочным хранением коммерческих литий-ионных батарей. Такой подход позволяет оптимально использовать батареи и продлевает их общий срок службы, обеспечивая лучшую производительность и экономическую эффективность в промышленных приложениях. Для более продвинутых решений в области хранения энергии рассмотрите Система аккумулирования энергии для коммерческих и промышленных предприятий мощностью 215 кВт/ч на Сила Камады.
Связаться с компанией Kamada Power
Получить Индивидуальные системы хранения энергии для коммерческих и промышленных предприятий Нажмите Свяжитесь с нами Kamada Power
