Que é o ciclo de descarga?

Tivo unha chamada o martes pasado cunha startup que facía o seu primeiro dispositivo portátil. PM pregúntame cantas veces os seus usuarios poden cargar a batería. Dixen que depende. Quería un número. Díxenlle 500, quizais, nunhas condicións perfectas que nunca existirán no campo.

Ese é o problema dos ciclos de descarga. O concepto é moi sinxelo, pero aplicalo a produtos reais complícase rapidamente.

A túa batería non conta os -enchufes. Conta o rendemento da capacidade. Drene o 100 % da capacidade da placa de identificación e iso é un ciclo. Faino dunha soa toma ou espalla durante unha semana de descargas parciais - mesmo resultado.

O 18650 que está sentado na túa lanterna agora mesmo pode estar no ciclo 47 ou no ciclo 212. A menos que fixeches un seguimento relixioso de horas amp-, non tes idea. A célula seguro que non o sabe. Non hai un pequeno mostrador dentro. O teu BMS calcúlao en función da conta de coulombs e das derivas de conta de coulombs. Separei paquetes nos que o reconto de ciclos informado estaba reducido nun 30 % en comparación co envellecemento real do calendario.

Samsung SDI publicou algúns datos en 2019 que mostran que as súas células 21700 alcanzan o 83% de retención de capacidade no ciclo 300 baixo o seu protocolo de proba estándar. As células NCR de Panasonic da mesma época eran máis do 78% a 300 ciclos. Estes números proviñan de cámaras climáticas a 23 graos con CC-CV cargando a 0,5 C e descarga a 1 C ata 2,5 V de corte. A túa quilometraxe variará porque o teu caso de uso non é unha cámara climática.

Todo o mundo nesta industria fala da profundidade da descarga como se fose unha especie de panca máxica. Os ciclos pouco profundos prolongan a vida, os ciclos profundos matan as células máis rápido. É certo. Pero a relación non é o que a maioría da xente espera.

Realizou un proxecto paralelo en 2021 tentando cuantificalo para un cliente de dispositivos médicos. Collemos 200 células do mesmo lote de produción, dividímolas en grupos e ciclámolas a diferentes niveis de DoD durante oito meses. O grupo DoD do 100% crarou ao redor do ciclo 380. O grupo do DoD do 60% aínda estaba ao 88% da súa capacidade, o equivalente a 900 ciclos completos. O grupo DoD do 30% apenas mostrou ningunha degradación despois dun ano.

Pero isto é o que non che dirán as fichas técnicas. O envellecemento do calendario estaba a comer a todos os grupos ao mesmo ritmo, independentemente do andar en bicicleta. No décimo mes, ata as celas que apenas tocamos perderan un 4-5 % de capacidade só sentados alí nun estado de carga do 50 % nunha sala de 25 graos. As células cicladas duramente foron golpeadas en ambas direccións: o envellecemento cíclico e o envellecemento do calendario apilándose unhas sobre outras.

Entón, cando o teu cliente pregunta por que o seu dispositivo de dous-anos-non dura tanto aínda que "apenas o usou" - é por iso.

Discharge Cycle

Teño unha caixa de pilas no meu garaxe dunha batería de carro de golf que pasou tres veráns nun galpón de Tucson. O propietario xurou que só usaba o carro quizais dúas veces ao mes. O paquete foi clasificado para 2000 ciclos. Morreu en 160. As células parecían ben externamente. Abriuse un e o rolo de marmelada tiña manchas marróns no separador. O electrólito descompuxose parcialmente.

A calor mata as células de litio. Non rápido como un curto morto. Lenta, como deixar a manteiga no mostrador.

A relación de Arrhenius dálle unha taxa de degradación aproximadamente 2x por cada 10 graos por encima dos 25 graos. Pero esa é unha media en todas as químicas. As células NMC que probei caeron máis rápido. A LFP aguantou mellor. As células de bolsa que usamos para os wearables son máis sensibles que as células cilíndricas coa mesma química porque a masa térmica é menor e quentan máis baixo carga.

A descarga fría é molesta pero non destrutiva. Perde a capacidade temporalmente. Volve cando a célula se quenta. Descarguei celas a -15 graos que só proporcionaban o 61 % da capacidade nominal, despois deixei quentar a temperatura ambiente e obtivemos os 3,2 Ah completos na seguinte descarga. A carga en frío é o asasino: o revestimento de litio no ánodo. Ese dano é permanente. A maioría dos BMS bloquean a carga por debaixo de 0 graos precisamente por este motivo.

Cada descarga move ións de litio desde o ánodo de grafito ata o cátodo. Cada carga empúxaos cara atrás. Fai isto suficientes veces e as cousas comezan a romperse.

A capa SEI do ánodo engrosa. Suponse que esa capa está alí - protexe o grafito do electrólito. Pero crece con cada ciclo, e o crecemento significa que está consumindo litio que doutro xeito podería almacenar enerxía. É por iso que a capacidade desaparece aínda que non ocorre nada dramático.

As partículas do cátodo rachan. Os cátodos NMC e NCA teñen unha estrutura cristalina que se expande e contrae a medida que o litio entra e sae. Fórmanse micro-grietas. Aumenta a superficie. As reaccións secundarias aceleran. Vin cortes-transversais de partículas de cátodo de células de ciclo alto-que parecen vidro esnaquizado ao microscopio en comparación con células frescas do mesmo lote.

O electrólito descompón. Rastro de auga causa problemas. A alta tensión acelera a oxidación. Acabas coa xeración de gas, o aumento da impedancia e, finalmente, a célula incha ou desfrázase.

Nada disto ocorre de xeito uniforme. As celas da túa cadea de serie que se quentan máis ou comezaron cunha capacidade lixeiramente inferior envellecen máis rápido. Despois dun ou dous anos, o teu paquete "combinado" xa non coincide. A célula débil limita toda a corda na descarga e sobrecarga de traballo tentando manter o ritmo. A espiral da morte dende alí.

IEC 62660 e os distintos estándares UL ofrécenlle unha liña de referencia. Pasalos e podes enviar o produto. Pero vin as probas de certificación das células e despois aparecín nas devolucións de campo seis meses despois con bolsas inchadas.

As probas de certificación están deseñadas para ser repetibles en laboratorios, non para simular o uso real. Ninguén usa o seu teléfono a exactamente 0,5 C de corrente constante. Ninguén carga a súa ferramenta eléctrica cun perfil CC-CV perfecto a 25 graos .

Se queres entender en serio como funcionará o teu paquete, debes crear un protocolo de proba que coincida co teu usuario real. Perfil da súa corrente de descarga esperada. Inclúe os períodos de descanso. Acada os extremos de temperatura que verá o teu produto. Executa suficientes celas para obter a confianza estatística - e iso significa polo menos 15-20 por condición de proba, non o 3-5 que tentan saír coa súa maioría das startups.

As células que fallan no inicio das probas case sempre tiñan defectos de fabricación. Rebabas no electrodo, contaminación, soldaduras defectuosas nas pestanas. Estes aparecerán nos primeiros 50 ciclos. As celas que fallan tarde - son as que che indican algo sobre o teu deseño.

Podes calcular a vida cíclica esperada se coñeces o teu perfil de usuario. Un teléfono que se carga a diario, quizais se esgote ata o 20 % de media antes de conectar -, o que supón aproximadamente 0,8 ciclos por día. Ao longo dunha vida prevista de dous-anos, estás vendo 580 ciclos. Se as túas células teñen unha capacidade de 500 ciclos ao 80 % da súa capacidade, comezarás a ver queixas ao redor do mes 18.

É por iso que Apple e Samsung sobredimensionan os seus paquetes en relación á capacidade anunciada. O "100 %" que ves no teu teléfono non é o 100 % do que as células realmente poden albergar. Manteñen un amortiguador na parte superior e inferior para reducir o estrés nas células. O teu teléfono pode ter 4500 mAh de capacidade física, pero o software só che permite usar 4000 mAh.

A mesma idea funciona para calquera produto de batería. Podes acadar o teu obxectivo de vida cíclica con mellores celas - que custan máis - ou podes alcanzalo aumentando a capacidade e executando as celas máis facilmente. A segunda opción adoita gañar no custo total cando se ten en conta as reservas de garantía.

Discharge Cycle

O ciclo de descarga é só unha forma de cuantificar o desgaste. Como o odómetro de millas nun coche, pero a relación entre as millas e a vida restante é máis escasa. Dous paquetes de 300 ciclos poden ter unha capacidade restante completamente diferente dependendo de como chegaron alí.

Os fabricantes de células daranche os seus números. O teu traballo consiste en descubrir como se traducen eses números ao teu produto específico e aos teus usuarios específicos. Non hai fórmula para iso. Probas, envías, miras os datos do campo e axustas.