O ciclo de vida é o número de ciclos de carga-descarga que atravesa unha batería antes de que se degrade a un nivel de capacidade predefinido. Normalmente iso é o 80 %, aínda que vin especificacións por todas partes: o 70 % para algunhas aplicacións de automoción, o 85 % para outras. O limiar en si é algo arbitrario e ten máis que ver cos cálculos da garantía que con calquera propiedade fundamental da química da batería.
Por que se degradan as baterías
A capa SEI dos ánodos de grafito é probablemente o mecanismo de degradación máis estudado nas baterías de-ións de litio. Cando cargas a pila por primeira vez, o electrólito descompónse na superficie do ánodo e forma esta película sólida-principalmente carbonato de litio, algo de fluoruro de litio se estás usando sal LiPF6, varias especies orgánicas. Esta capa debería estabilizarse despois duns ciclos. Non é así. Segue medrando, lentamente, comendo litio que debería estar en bicicleta. Traballei nun proxecto hai uns anos tentando estabilizar SEI con aditivos electrolíticos. FEC (carbonato de fluoroetileno) axuda, VC (carbonato de vinileno) axuda máis. Ningún dos dous o resolve completamente.
Os cátodos de{0}}níquel altos rachan. O NMC811, que é un 80 % de níquel, 10 % de manganeso e 10 % de cobalto, sofre cambios masivos de volume durante o ciclo-moi máis que as antigas composicións NMC111 ou NMC523. As partículas literalmente se separan. Podes velo baixo SEM despois duns centos de ciclos. CATL descubriu ao redor de 2019 que se sintetizas partículas de cristal único-en lugar dos agregados policristalinos que todo o mundo estaba facendo, eliminas a maior parte da fisuración porque non hai límites de grans. Parece obvio agora, pero levar os parámetros de síntese a escala correcta levou anos. Creo que BYD está a facer algo semellante coa súa batería Blade, pero non publican moito sobre o seu procesamento do cátodo.
A temperatura importa máis que calquera outra cousa, sinceramente. Por cada 10 graos de aumento, duplica aproximadamente a taxa de envellecemento. Isto non é exacto-diferentes mecanismos teñen diferentes enerxías de activación-pero está o suficientemente próximo para estimacións de enxeñería. Un paquete que funciona a 35 graos de media durará moito máis que un a 45 graos. Tesla soubo isto pronto co Roadster. Os seus coches posteriores teñen unha xestión térmica bastante agresiva, funcionarán con arrefriamento mesmo cando estean estacionados se o paquete se quente demasiado.
O frío é raro. A química de degradación diminúe, o que é bo. Pero obtén unha resistencia moito máis alta e se intentas cargar demasiado rápido chaparás litio no ánodo, o que é moi malo. Os depósitos de litio son unha perda de capacidade irreversible e se se converten en dendritas pódese conseguir un curto interno. A maioría dos vehículos eléctricos non che permitirán carga rápida de CC por debaixo de 0 graos por este motivo.
Profundidade de descarga
Hai este-efecto ben coñecido no que o ciclismo superficial prolonga a vida útil. Se só usas o 40 % da capacidade da batería en lugar do 100 %, podes triplicar a vida útil do ciclo. Quizais máis. Os mecanismos non están totalmente claros. Os cambios de volume menores nos electrodos probablemente axuden. Evitar potenciais de electrodos extremos onde as reaccións secundarias se aceleran definitivamente axuda. Pero ninguén realmente aclarou a contribución exacta de cada factor.
Cada EV esconde algunha capacidade de ti. Cando o teu panel diga 0 % probablemente esteas nun SOC real do 5 %. Cando di 100% estás ao 95% ou quizais ao 90%. Os fabricantes non publican estes números. Tentei facer enxeñaría inversa-no meu antigo Bolt mirando os datos do BMS a través do bus CAN, pero as táboas de calibración están cifradas.
Probando problemas de cronograma
Ninguén quere esperar 3-4 anos para validar o deseño dunha batería. Así que facemos probas aceleradas: temperaturas máis altas, taxas de ciclos máis rápidas. O problema é que non todos os mecanismos de degradación aceleran do mesmo xeito. Algúns si, outros non. A aceleración da temperatura funciona bastante ben na maioría dos procesos químicos. A aceleración da taxa é incompleta. E hai modos de fallo que só aparecen despois dun tempo de calendario prolongado que non podes acelerar en absoluto.
As cousas recentes da predición de ML son interesantes. Introduces os datos do ciclo inicial nun modelo e este prevé un esvaecemento da capacidade a longo prazo-. Stanford publicou algúns traballos sobre isto en 2019, Carnegie Mellon fixo cousas similares. Funciona sorprendentemente ben nas células nas que se adestraron. A xeneralización é o problema. Cambia a composición do cátodo ou a formulación do electrólito e necesitas volver adestrar con novos datos, o que invalida o propósito se estás tentando predecir a vida útil dun novo deseño.
Diferentes químicas
O LFP ten mellor ciclo de vida que o NMC, punto. Podes obter 3000-5000 ciclos facilmente, ás veces máis. A penalización da densidade enerxética é brutal aínda que-renuncias ao 30-40 % en comparación co NMC de alto níquel. Os fabricantes chineses decidiron que esta compensación ten sentido para vehículos eléctricos máis baratos nos que a xente non necesita un alcance de 300+ millas. BYD, CATL, todo o mundo está facendo LFP para vehículos de gama estándar. Os OEM occidentais son máis lentos en adoptalo. A diferenza cultural ou a diferenza de mercado ou ambas, non estou seguro.
Segundo o que afirman CATL e Natron, o ión sodio-suponse que ten un ciclo de vida similar ao de LFP, pero só leva un ano en produción, así que quen sabe o que pasa despois de 5+ anos no campo.
O estado sólido-continúa prometendo un ciclo de vida mellor porque ningún electrólito líquido significa interfaces máis estables. Pero seguen sen estar dispoñibles comercialmente. QuantumScape estivo "a dous anos" desde hai uns seis anos. Resistencia da interface, perda de contacto durante o ciclo, dendritas de litio nalgúns deseños-estes problemas son máis difíciles do que ninguén pensaba. Quizais os electrólitos de sulfuro funcionen mellor que os óxidos. Os datos procedentes de Xapón suxiren que quizais.
Envellecemento do calendario
Isto é ignorado moito, pero é enorme para os vehículos que non se conducen moito. A túa batería degrádase só sentado alí. A temperatura de almacenamento e o SOC importan. O peor dos casos é a carga do 100 % a alta temperatura-perderás varios puntos porcentuais ao ano sen facer nada. 40% SOC a temperatura ambiente é un almacenamento óptimo, pero obviamente non é práctico para un coche que realmente utilizas.
O almacenamento na rede é un animal completamente diferente. Necesitas 20+ anos de vida útil, o que significa 7000+ ciclos como mínimo, probablemente 10,000+ se estás facendo varios ciclos ao día. Pero pode tolerar unha menor densidade de enerxía e ten máis espazo para a xestión térmica. A economía funciona de forma diferente-CAPEX importa máis en relación ao OPEX cando estás amortizando durante décadas.
Non sei o suficiente sobre os novos tipos de batería para dicir moito útil. O xofre-de litio aínda ten unha vida útil terrible debido á lanzadeira de polisulfuro, aínda que algunhas empresas afirman que o solucionaron. Os ánodos metálicos de litio-combinados con electrólitos sólidos poden ser o camiño a seguir, pero o problema das dendritas non desapareceu. E aínda que os materiais funcionen, aumentar a escala da fabricación de calquera cousa nova leva 5-10 anos como mínimo. Entón, sexa o que veña despois, estamos atrapados con variacións de iones de litio durante polo menos unha década máis.
Non sei o suficiente sobre os novos tipos de batería para dicir moito útil. O xofre-de litio aínda ten unha vida útil terrible debido á lanzadeira de polisulfuro, aínda que algunhas empresas afirman que o solucionaron. Os ánodos metálicos de litio-combinados con electrólitos sólidos poden ser o camiño a seguir, pero o problema das dendritas non desapareceu. E aínda que os materiais funcionen, aumentar a escala da fabricación de calquera cousa nova leva 5-10 anos como mínimo. Entón, sexa o que veña despois, estamos atrapados con variacións de iones de litio durante polo menos unha década máis.
Baterías de polímero de litiositúase nalgún lugar intermedio-mellor flexibilidade de envasado que as células cilíndricas, ciclo de vida comparable ao estándar de ión de litio-se mantén as temperaturas razoables. Opción decente para espazos reducidos pero nada revolucionario.
