Анализ деградации коммерческих литий-ионных аккумуляторов при длительном хранении. Литий-ионные аккумуляторы стали незаменимы в различных отраслях промышленности благодаря своей высокой плотности энергии и эффективности. Однако их характеристики со временем ухудшаются, особенно при длительном хранении. Понимание механизмов и факторов, влияющих на эту деградацию, имеет решающее значение для оптимизации срока службы батарей и максимизации их эффективности. В этой статье подробно рассматривается анализ деградации коммерческих литий-ионных аккумуляторов при длительном хранении и предлагаются действенные стратегии по смягчению снижения производительности и продлению срока службы аккумуляторов.
Ключевые механизмы деградации:
Саморазряд
Внутренние химические реакции внутри литий-ионных аккумуляторов приводят к постепенной потере емкости, даже когда аккумулятор находится в режиме ожидания. Этот процесс саморазряда, хотя обычно и медленный, может быть ускорен при повышении температуры хранения. Основной причиной саморазряда являются побочные реакции, вызванные примесями в электролите и незначительными дефектами материалов электродов. Хотя эти реакции протекают медленно при комнатной температуре, их скорость удваивается при повышении температуры на каждые 10°C. Поэтому хранение аккумуляторов 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 интерфейса твердого электролита (SEI) и деградации материалов электродов. Слой SEI необходим для нормальной работы аккумулятора, но при высоких температурах он продолжает утолщаться, поглощая ионы лития из электролита и увеличивая внутреннее сопротивление аккумулятора, тем самым снижая емкость. Более того, высокие температуры могут дестабилизировать структуру материала электродов, вызывая трещины и разложение, что еще больше снижает эффективность и срок службы батареи.
Потеря лития
Во время циклов зарядки-разрядки некоторые ионы лития навсегда задерживаются в решетчатой структуре материала электрода, что делает их недоступными для будущих реакций. Эта потеря лития усугубляется при высоких температурах хранения, поскольку высокие температуры способствуют необратимому внедрению большего количества ионов лития 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. Батареи следует хранить в прохладном и сухом месте, в идеале при температуре от 15°C до 25°C, чтобы замедлить процесс разложения. Высокие температуры ускоряют скорость химических реакций, увеличивая саморазряд и образование слоя SEI, тем самым ускоряя старение аккумулятора.
Состояние заряда (SOC)
Поддержание частичного SOC (около 30–50%) во время хранения минимизирует нагрузку на электроды и снижает скорость саморазряда, тем самым продлевая срок службы батареи. Как высокие, так и низкие уровни SOC увеличивают напряжение материала электрода, что приводит к структурным изменениям и большему количеству побочных реакций. Частичный SOC уравновешивает стресс и реактивную активность, замедляя скорость деградации.
Глубина разряда (DOD)
Батареи, подвергшиеся глубокому разряду (высокий DOD), деградируют быстрее по сравнению с батареями, подвергающимися поверхностному разряду. Глубокие разряды вызывают более существенные структурные изменения в материалах электродов, создавая больше трещин и продуктов побочных реакций, тем самым увеличивая скорость деградации. Недопущение полной разрядки аккумуляторов во время хранения помогает смягчить этот эффект, продлевая срок службы аккумуляторов.
Календарный возраст
Батареи со временем естественным образом разлагаются из-за присущих им химических и физических процессов. Даже при оптимальных условиях хранения химические компоненты аккумулятора постепенно разлагаются и выходят из строя. Правильные методы хранения могут замедлить процесс старения, но не могут полностью предотвратить его.
Методы анализа деградации:
Измерение затухания мощности
Периодическое измерение разрядной емкости аккумулятора позволяет легко отслеживать его деградацию с течением времени. Сравнение емкости аккумулятора в разное время позволяет оценить скорость и степень его деградации, что позволяет своевременно принять меры по техническому обслуживанию.
Электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС)
Этот метод анализирует внутреннее сопротивление батареи, предоставляя подробную информацию об изменениях свойств электродов и электролита. EIS может обнаруживать изменения внутреннего импеданса батареи, помогая выявить конкретные причины деградации, такие как утолщение слоя SEI или ухудшение состояния электролита.
Посмертный анализ
Разборка разряженной батареи и анализ электродов и электролита с использованием таких методов, как дифракция рентгеновских лучей (XRD) и сканирующая электронная микроскопия (SEM), могут выявить физические и химические изменения, происходящие во время хранения. Посмертный анализ предоставляет подробную информацию о структурных и композиционных изменениях внутри батареи, помогая понять механизмы деградации и улучшить конструкцию батареи и стратегии обслуживания.
Стратегии смягчения последствий
Прохладное хранилище
Храните аккумуляторы в прохладной, контролируемой среде, чтобы свести к минимуму саморазряд и другие механизмы деградации, зависящие от температуры. В идеале поддерживайте температурный диапазон от 15°C до 25°C. Использование специального охлаждающего оборудования и систем контроля окружающей среды может значительно замедлить процесс старения аккумулятора.
Частичное хранение заряда
Поддерживайте частичный уровень SOC (около 30–50%) во время хранения, чтобы уменьшить нагрузку на электроды и замедлить деградацию. Это требует установки соответствующих стратегий зарядки в системе управления батареями, чтобы гарантировать, что батарея остается в оптимальном диапазоне SOC.
Регулярный мониторинг
Периодически проверяйте емкость и напряжение аккумулятора, чтобы обнаружить тенденции к деградации. При необходимости внедрите корректирующие действия на основе этих наблюдений. Регулярный мониторинг также может обеспечить раннее предупреждение о потенциальных проблемах, предотвращая внезапные сбои батареи во время использования.
Системы управления батареями (BMS)
Используйте BMS для мониторинга состояния батареи, управления циклами зарядки-разрядки и реализации таких функций, как балансировка элементов и регулирование температуры во время хранения. BMS может определять состояние батареи в режиме реального времени и автоматически корректировать рабочие параметры, чтобы продлить срок службы батареи и повысить безопасность.
Заключение
Всесторонне понимая механизмы деградации, влияющие факторы и реализуя эффективные стратегии смягчения последствий, вы можете значительно улучшить управление долгосрочным хранением коммерческих литий-ионных батарей. Такой подход обеспечивает оптимальное использование аккумуляторов и продлевает их общий срок службы, обеспечивая лучшую производительность и экономическую эффективность в промышленных приложениях. Для более совершенных решений по хранению энергии рассмотритеКоммерческая и промышленная система хранения энергии мощностью 215 кВтч by Камада Пауэр.
Свяжитесь с Камада Пауэр
ПолучатьИндивидуальные коммерческие и промышленные системы хранения энергии, пожалуйста, нажмитеСвяжитесь с нами Камада Пауэр
Время публикации: 29 мая 2024 г.