Kaip teisingai įkrauti ir iškrauti ličio baterijas
Kodėl kai kurios ličio baterijos veikia 8 metus, o jūsų išsikrauna vos per 3? Išsaugokite šį vadovą – vienu skaitymu išskleisime itin-ilgo akumuliatoriaus veikimo laiko paslaptį.
Tai išskirtinis Blumočio reportažas. Prisijunkite prie mūsų, kai pasineriame į profesionalų patarimus, kaip prižiūrėti ličio baterijas.
Per didelis įkrovimas ir iškrovimas yra labiausiai žalingi ličio baterijų nusidėvėjimo kaltininkai. Tai ne tik „per daug įkrovimas“ ar „per mažas iškrovimas“ – šie veiksmai sukelia negrįžtamus elektrocheminius ir fizinius akumuliatoriaus elementų pažeidimus. Laikui bėgant žala kaupiasi, todėl greitai prarandama talpa, smarkiai padidėja vidinis pasipriešinimas ir netgi visiškai sugenda akumuliatorius.
Derindami Blumoti ličio baterijos elementų dizainą ir BMS apsaugos logiką, paaiškinsime šią problemą iš pagrindinės elektrochemijos ir faktinių pažeidimo procesų – ir kodėl mūsų BMS nustato griežtus apsaugos nuo perkrovimo / iškrovimo slenksčius.
I. Per didelis įkrovimas: mirtina ličio baterijos perkrova
Sukelia 3 rūšių negrįžtamą žalą
Ličio baterijos įkrovimas yra procesas, kai ličio jonai atsiskiria nuo katodo, praeina per elektrolitą ir separatorių ir įsiterpia į anodo grafito sluoksnius. Šis procesas turi fiksuotą talpos ribą: anodo grafite gali būti tik baigtinis ličio jonų skaičius. Per didelis įkrovimas priverčia perteklinius ličio jonus į anodą, sukeldamas žalos grandinę.
1. Ličio dendrito padengimas: nuolatinis anodo užteršimas
Mirtina žala dėl per didelio įkrovimo
Kai anodo grafitas yra visiškai prisotintas ličio jonų, jonų perteklius negali įsiterpti – vietoj to jie padengia anodo paviršių metalinio ličio pavidalu, sudarydami adatos/dendrito{0}}formos ličio dendritus.
Ličio dendritai yra negyvas litis (nebėra įkrovimo{0}}iškrovimo ciklų dalis), todėl visam laikui prarandama akumuliatoriaus talpa.
Augantys dendritai galiausiai pramuša separatorių (šerdies izoliacinį sluoksnį tarp katodo ir anodo), sukeldami vidinį trumpąjį jungimą – geriausiu atveju tai sukelia kaitinimą / patinimą ir blogiausiu atveju gaisrą / sprogimą.
Net ir be separatoriaus pradūrimo, dendritai pažeidžia anodo grafito struktūrą, sukeldami pulverizaciją ir išsiliejimą, o spartėjančios talpos išnyks.
2. Pagreitintas elektrolitų skilimas
Prarandama ličio jonų transportavimo terpė
Ličio akumuliatoriaus elektrolitas veikia kaip jonų laidumo tiltelis su fiksuotu stabiliu įtampos diapazonu (akumuliatoriaus įkrovimo išjungimo įtampa{0}}: 3,65 V LFP, 4,2 V trijų elementų). Per didelis įkrovimas išstumia elementų įtampą virš šios ribos, oksiduodamas elektrolitą ir suskaidydamas jį į dujas (CO2, HF ir kt.) ir priemaišas:
01
Dujų kaupimasis sukelia ląstelių patinimą, pažeidžia hermetišką sandariklį ir netgi sukelia elektrolito nuotėkį.
02
Suskaidytas elektrolitas pablogina jonų laidumą, todėl smarkiai padidėja vidinė varža ir smarkiai sumažėja įkrovos{0}}iškrovos efektyvumas.
03
Skilimo priemaišos sudaro pasyvavimo plėvelę ant katodo / anodo paviršių, trukdančios ličio jonų įsiterpimui / deinterkalacijai ir pagreitinti talpos išnykimą.
3. Katodinės medžiagos struktūrinis griūtis
Nuolatinis ličio talpos praradimas
Katodinės medžiagos (LFP ličio geležies fosfatas, trijų komponentų NCM/NCA) turi kristalines struktūras, sukurtas ličio jonų deinterkalacijai vardinės įtampos diapazonuose. Dėl per didelio įkrovimo katodas patiria pernelyg didelį oksidacijos potencialą, dėl kurio kristalų struktūra suyra ir susmulkina – kai kuri aktyvi katodo medžiaga praranda ličio saugojimo/atskyrimo galimybes ir tampa neaktyvia medžiaga:
- Tiesioginis nuolatinis vardinės talpos sumažėjimas (pvz., 100 Ah baterija po perkrovimo gali visam laikui nukristi iki žemiau 80 Ah).
- Miltelinė katodo medžiaga išlieja ir užkemša separatoriaus poras, trukdydama ličio jonų transportavimui ir dar labiau padidindama vidinį pasipriešinimą.
PS: „Blumoti BMS“ turi tikslią įkrovimo išjungimo įtampą{0}} (3,65 V LFP / 4,2 V trijų dalių) ir apsaugą nuo per didelio įkrovimo (akimirksniu nutrūksta maitinimas, kai viršijami slenksčiai). Tačiau tai tik avarinė apsauga – dažnas ilgalaikis-beveik{5}}permokėjimas vis tiek padaro nedidelę žalą. Štai kodėl nerekomenduojame akumuliatoriaus ilgą laiką laikyti 100 % įkrauto ir prijungto.
II. Per didelis išsikrovimas: per didelis ličio akumuliatoriaus išsikrovimas
Sukelia 2 rūšių negrįžtamą žalą
Ličio baterijos išsikrovimas yra procesas, kai ličio jonai atsiskiria nuo anodo ir grįžta į katodą. Per didelis iškrovimas iš anodo ištraukia beveik visus deterkaluojamus ličio jonus, o elemento įtampa nukrenta žemiau iškrovos ribos -(2,0 V LFP, 2,5 V trinariui), sukeldamas atvirkštines elektrochemines reakcijas ir negrįžtamus pažeidimus.
1. Negrįžtamas anodo grafito pažeidimas
Negyvos anglies sluoksnio susidarymas
Įprasto iškrovimo metu anodo grafitas išlaiko nedidelį kiekį ličio jonų struktūriniam palaikymui. Per didelis iškrovimas pašalina beveik visus šiuos jonus, todėl grafito sluoksniuota struktūra suyra ir susmulkina. Tuo tarpu anodo paviršiuje vyksta vario tirpimas (vario folijos srovės kolektorius oksiduojasi ir ištirpsta į elektrolitą vario jonų pavidalu):
Sugriuvęs grafitas nebegali veiksmingai įsiterpti į ličio jonus, sudarydamas negyvosios anglies sluoksnį ir nuolat prarandantis ličio saugojimo pajėgumus.
Vario jonai sudaro priemaišas elektrolite, nusėda ant katodo/anodo/separatoriaus paviršių, užkemša poras, didina vidinę varžą ir pagreitina elektrolito skilimą.
Nuolatinis aktyviųjų medžiagų inaktyvavimas
Įprasto iškrovimo metu katodas yra oksiduotas, o ličio jonų pakartotinis įdėjimas užbaigia redukcijos reakciją. Per didelis iškrovimas sukelia pernelyg didelį katodo sumažėjimą – netgi metalo jonų išplovimą (kobaltas / nikelis trinariuose elementuose, geležis LFP):
Išplauti metalo jonai sudaro metalo druskų nuosėdas elektrolite, kurios prilimpa prie katodo / anodo paviršių, pažeidžia aktyviąsias vietas ir atima katodo galimybes kaupti ličio kiekį.
Per didelis sumažinimas sukelia negrįžtamus kristalų struktūros pažeidimus (pvz., LFP olivino struktūrą, trijų sluoksnių struktūrą), inaktyvuoja aktyvias medžiagas ir sukelia nuolatinį talpos išnykimą.
- Pagrindinis patarimas: telefonai / nešiojamieji kompiuteriai, staiga išsijungiantys, kai įkrovimas yra ~10 %, nereiškia, kad akumuliatorius išsikrovęs – tai BMS apsauga nuo per didelio išsikrovimo (galios nutraukimas, kad elementų įtampa nenukristų žemiau išjungimo{1}}ribos). Tai yra labai svarbi akumuliatoriaus apsauga – niekada neapeikite jos mirksinčiu, įtrūkimu ar kitais būdais, nes tai sugadins negrįžtamai.
IV. „Blumoti“ ląstelių apsaugos dizainas
Perkaitimo / perkrovos žalos mažinimas šaltinyje
Be didelio{0}}tikslumo BMS apsaugos nuo perkrovimo / perkrovos elektros energijos tiekimo nutraukimo, „Blumoti“ optimizuoja medžiagas ir procesus elementų tyrime ir plėtroje bei gamyboje, kad padidintų anti-perkrovimo / iškrovimo efektyvumą ir pailgintų tarnavimo laiką:
Katodinio dopingo modifikacija:
Retųjų žemių elementų pėdsakai, įterpti į katodą, padidina kristalų struktūros stabilumą ir apsaugo nuo žlugimo perkrovimo / iškrovimo metu.
Anodo paviršiaus danga:
Laidus polimerinis sluoksnis ant grafito anodų apsaugo nuo ličio dendrito dengimo ir grafito susmulkinimo, o kartu sumažina vario tirpimą per didelio iškrovimo metu.
Specialūs elektrolitų priedai:
Apsauginiai nuo perkrovimo priedai (sudaro greitą pasyvavimo plėvelę, kad sustabdytų elektrolito skilimą) ir apsaugos nuo perkrovos priedai (apsaugo anodo srovės kolektorius) praplečia stabilų elektrolito veikimo diapazoną.
Didelio{0}}akytumo pradūrimui-atsparus separatorius:
Sutirštinti PE/PP kompozitiniai didelio poringumo separatoriai apsaugo nuo nedidelių dendrito pradūrimų ir sumažina porų užsikimšimą dėl katodo susmulkinimo.
Štai kodėl Blumoti ličio baterijos patiria daug mažiau žalos nei standartinės ličio baterijos retkarčiais nedidelio perkrovimo / perkrovimo atvejais. Tačiau teisingi naudojimo įpročiai vis dar yra svarbiausi – aktyvus perkrovimo ir iškrovimo išvengimas yra pagrindinis raktas į 8 metų ličio baterijos tarnavimo laiką.
