יסודות הטכנולוגיה של סוללת ליתיום יון

סוללות ליתיום יון לא ממש "מייצרות" כוח כמו שרוב האנשים חושבים על זה. מה שהם עושים זה לאגור אנרגיה חשמלית באמצעות תגובות אלקטרוכימיות הפיכות, ואז לשחרר אותה כשהמעגל החיצוני דורש זרם. הבלבול לגבי זה עולה הרבה בפגישות עיצוב, במיוחד כאשר מישהו מנסה להתאים גודל של ערכת סוללות בפעם הראשונה.

שני דברים קורים במהלך השחרור. ראשית, יוני ליתיום נודדים מהאלקטרודה השלילית (אנודה) דרך האלקטרוליט והמפריד אל האלקטרודה החיובית (קתודה). שנית, אלקטרונים זורמים דרך המעגל החיצוני מהאנודה לקתודה, ועושים עבודה מועילה. במהלך הטעינה, אתה הופך את התהליך על ידי הפעלת מתח חיצוני שמאלץ יונים ואלקטרונים לנוע בכיוון ההפוך.

המתח שתא מייצר תלוי לחלוטין בחומרי האלקטרודה שאתה בוחר ובפוטנציאל האלקטרוכימי שלהם. תא טרי שיושב על המדף ללא עומס יציג את-מתח המעגל הפתוח שלו-בדרך כלל בסביבות 3.6 עד 3.7V עבור רוב הכימיקלים של ליתיום יון, אם כי מספר זה נע בהתאם למצב הטעינה והטמפרטורה. ברגע שאתה מחבר עומס ומתחיל לצייר זרם, המתח יורד בגלל התנגדות פנימית. כמה זה יורד אומר לך הרבה על בריאות התא.

Lithium Ion Battery Technology

כל תאי יון הליתיום חולקים את אותו עיקרון פעולה בסיסי, אך הכימיה משתנות מאוד. החומר הקתודי קובע במידה רבה את מאפייני הביצועים של התא-צפיפות האנרגיה, יכולת ההספק, חיי המחזור, היציבות התרמית והעלות.

קתודות תחמוצת שכבות היו הכימיה המסחרית הראשונה. סוני הציגה אותם עוד ב-1991 עם LiCoO₂ (תחמוצת ליתיום קובלט), שעדיין משמשת במוצרי אלקטרוניקה שבה צפיפות האנרגיה חשובה יותר מהעלות או שולי הבטיחות. תאים אלה אורזים בערך 150-200 וואט/ק"ג ברמת התא. עם זאת, קובלט יקר, והכימיה הופכת לא יציבה מעל 150 מעלות. ראינו בריחת תרמית מתחילה בטמפרטורות נמוכות כמו 130 מעלות בתאים שעברו התעללות.

השאיפה לבטיחות טובה יותר ולעלות נמוכה יותר הובילה ל-LiMn₂O₄ (תחמוצת ליתיום מנגן) באמצע-1990. מנגן זול לכלוך ומבנה הספינל מטבעו יציב יותר. התאים האלה לא יברחו עד שתעברו את 250 מעלות בדרך כלל. הפשרה? צפיפות האנרגיה יורדת ל-100-120 וואט/ק"ג, והמנגן מתמוסס לאלקטרוליט עם הזמן, במיוחד בטמפרטורות גבוהות. חיי המחזור סובלים - אתה מסתכל על אולי 300-700 מחזורים לפני שהקיבולת יורדת מתחת ל-80%.

LiFePO₄ (ליתיום ברזל פוספט) הופיע בסביבות 2001 ושינה את שיחת הבטיחות. מבנה האוליבין הוא סלע-מוצק מבחינה תרמית; בריחה תרמית לא מתרחשת עד מעל 270 מעלות, וגם אז היא פחות אלימה. חיי המחזור יוצאים מן הכלל-2,000+ מחזורים עד קיבולת של 80% הם סטנדרטיים, וכמה תאים נבדקו לאחר 5,000 מחזורים. החיסרון הוא המתח: רק 3.2V נומינלי, וצפיפות האנרגיה מוגבלת ל-90-120 וואט/ק"ג. כמו כן, מצב פטנט הפוספט היה מבולגן במשך שנים.

NMC (תחמוצת קובלט ליתיום ניקל מנגן) ו-NCA (תמוצת אלומיניום ליתיום ניקל קובלט) הופיעו בתור הכימיה ה"מאוזנת". על ידי ערבוב של ניקל, מנגן וקובלט ביחסים שונים-הנפוצים הם NMC 111, 532, 622 ו-811 שבהם המספרים מציינים תוכן מתכת יחסי-תוכל לכוון את הביצועים. תכולת ניקל גבוהה יותר דוחפת את צפיפות האנרגיה לכיוון 200-250 וואט/ק"ג אך במחיר של יציבות תרמית וחיי מחזור. תאי NMC 811 יכולים להגיע ל-250 וואט/ק"ג אך זקוקים לניהול תרמי זהיר הרבה יותר.

בצד האנודה, גרפיט היה הסטנדרט מהיום הראשון. הקיבולת התיאורטית היא 372 mAh/g, ותאים מסחריים משיגים בדרך כלל 340-360 mAh/g. הליתיום משתלב בין שכבות הגרפן במהלך הטעינה, ומרחיב את נפח הגרפיט בכ-10%. לחץ מכני זה תורם לדעיכת הקיבולת במהלך רכיבה על אופניים.

אנודות סיליקון הן "הדבר הגדול הבא" כבר כחמש עשרה שנים. הקיבולת התיאורטית של סיליקון היא 4,200 mAh/g-יותר מפי עשרה מגרפיט. הבעיה היא שסיליקון מתרחב ב-300% כשהוא סופג ליתיום. זה מפרק את האנודה לאחר כמה מחזורים. הגישות הנוכחיות משתמשות בתערובות סיליקון-גרפיט עם תכולת סיליקון בדרך כלל מתחת ל-10% כדי לשמור על ניהול התרחבות. למרות זאת, אובדן קיבולת בלתי הפיך-ראשון מגיע ל-15-25% באנודות המכילות סיליקון לעומת 5-10% עבור גרפיט טהור.

תאים גליליים הם כנראה מה שרוב האנשים מתארים להם כשהם חושבים "סוללה". פורמט 18650 (קוטר 18 מ"מ, אורך 65 מ"מ) הפך לכל מקום לאחר שיצרני מחשבים ניידים תקנו אותו בתחילת שנות ה-2000. טסלה השתמשה באופן מפורסם באלפים מהם ברודסטר המקורית. קיבולת טיפוסית של 18650 פועלת 2,000-3,500 מיליאמפר/שעה, תלוי בכימיה והאם אתה מייעל עבור אנרגיה או כוח.

פורמט ה-21700 החדש יותר (21 מ"מ × 70 מ"מ) שטסלה ופנסוניק פיתחו במשותף מציע כ-50% יותר אנרגיה לתא של 4,000-5,000 מיליאמפר/שעה, נפוץ כעת. הקוטר הגדול יותר מגדיל את היחס בין חומר פעיל לרכיבים לא פעילים (קולטי זרם, פחית, התקני בטיחות), ומשפר את צפיפות האנרגיה ברמת החבילה. היה צורך לעצב מחדש קווי ייצור, וזה חלק מהסיבה שהאימוץ לקח זמן מה.

תאים מנסרים הגיעו מהרצון של תעשיית הרכב לניצול שטח טוב יותר. במקום למלא קופסה בגלילים ולהשאיר את כל החלל הריק הזה, אתה מייצר תאים מלבניים הנערמים ביעילות. תאים מנסרים בדרגת-רכב נעים בין 20Ah לקיבולת מעל 100Ah. קל יותר לניהול-תרמי מנקודת מבט של אריזה מכיוון שאתה יכול לשים לוחות קירור ישירות לצדדים השטוחים. החיסרון הוא שיש לך את כל הביצים שלך בפחות סלים-אם תא פריזמטי גדול אחד נכשל, אתה מאבד יותר קיבולת מאשר אם תא גלילי קטן אחד נכשל.

תאי פאוץ' לוקחים את רעיון יעילות החלל קדימה על ידי חיסול פח המתכת לחלוטין. התא אטום בכיס אלומיניום גמיש-למינציה. זה חוסך אולי 10-משקל של 15% לעומת קופסת שימורים מנסרה, והפורמט גמיש ביותר - אתה יכול לעשות אותם בכל גודל או צורה שהיישום דורש. יצרני EV אוהבים אותם כי אתה יכול לערום אותם ישירות בצלחות קירור. החולשה היא מכנית: הם זקוקים לדחיסה חיצונית כדי למנוע דלמינציה של אלקטרודות במהלך רכיבה על אופניים, והם פגיעים יותר לנזק לנקב.

Lithium Ion Battery Technology

המפריד לא זוכה לתשומת לב רבה, אבל הוא ללא ספק רכיב הבטיחות הקריטי ביותר. זוהי ממברנה נקבובית דקה (16-25 מיקרומטר בדרך כלל) ששומרת על האנודה והקתודה שלא יגעו תוך שהיא מאפשרת ליוני ליתיום לעבור דרכן. המפרידים המוקדמים היו פוליאתילן חד-שכבתי (PE) או פוליפרופילן (PP).

מפרידים מודרניים-בעלי ביצועים גבוהים משתמשים במבנים תלת-שכבתיים, בדרך כלל PP/PE/PP. לשכבת PE יש נקודת התכה נמוכה יותר (135 מעלות) מאשר PP (165 מעלות). אם התא מתחיל להתחמם יתר על המידה, ה-PE נמס וממלא את הנקבוביות, ומכבה את ההובלה יונית לפני שהטמפרטורה מגיעה לרמות מסוכנות. זה נקרא כיבוי תרמי, וזה קו ההגנה האחרון שלך לפני בריחת תרמית.

מפרידים מצופים-קרמיים מוסיפים מרווח בטיחות נוסף. ציפוי דק (2-4 מיקרומטר) של אלומינה או חלקיקי קרמיקה אחרים בצד אחד או בשני הצדדים של המפריד שומר על שלמות מבנית גם אם הפולימר נמס. הציפוי נקבובי מספיק כדי שההעברה יונית תימשך, אבל הוא מונע מהאלקטרודה לקצר-במעגל אפילו בטמפרטורות מעל 150 מעלות. החיסרון הוא עלות-מפרידים מצופים-קרמיים הפועלים פי 2-3 מהמחיר של מפרידים סטנדרטיים - ועכבה מעט גבוהה יותר.

הנקבוביות מגיעה בדרך כלל ל-40-50%. נמוכה מדי והתנגדות יונית עולה, מגבילה את יכולת הכוח. גבוה מדי וחוזק מכני סובל. חלוקת גודל הנקבוביות חשובה מדי; מספר גרלי (בדיקת חדירות אוויר) הוא מפרט סטנדרטי. רוב המפרידים בדרגת EV מכוונים ל-200-400 שניות/100 סמ"ק.

האלקטרוליט בתא יון ליתיום מורכב יותר ממה שאתה עשוי לחשוב. תכשיר הבסיס הוא בדרך כלל מלח ליתיום-LiPF₆ (ליתיום הקספלואורופוספט) ב-95%+ מהתאים-מומס בתערובת של קרבונטים אורגניים. הממיסים הנפוצים כוללים אתילן קרבונט (EC), דימתיל קרבונט (DMC), דיאתיל קרבונט (DEC) ואתיל מתיל קרבונט (EMC).

ריכוז LiPF₆ הוא בדרך כלל סביב 1.0 עד 1.2 M (טוחנות). ריכוז גבוה יותר משפר את המוליכות היונית עד לנקודה מסוימת, אך מעבר ל-1.3 M או כך מתחילים לקבל משקעי מלח בטמפרטורות נמוכות. ל-LiPF₆ יש בעיות-שהוא רגיש ללחות-ומתחיל להתפרק מעל 60 מעלות -אבל אלטרנטיבות כמו LiBOB או LiFSI עדיין לא תפסו אותו עקב עלות או פשרות אחרות.

תערובת הממס הקרבונטית מתכווננת ליישום. ל-EC יש קבוע דיאלקטרי גבוה ותכונות טובות של יצירת SEI-, אבל הוא קופא ב-36 מעלות. אתה צריך למזג אותו עם קרבונטים-נמוכים יותר כמו DMC או EMC כדי לשמור על ביצועי טמפרטורה-נמוכים. ניסוח טיפוסי עשוי להיות EC:DMC 1:1 בנפח, או EC:EMC 3:7. היחסים המדויקים הם קנייניים ונשמרים היטב.

תוספים הם המקום שבו מתרחש קסם הכימיה האמיתי. אלקטרוליטים מודרניים מכילים 2-5% לפי משקל של תוספים שונים המשנים את היווצרות SEI, מונעים טעינת יתר, מדכאים יצירת גזים או משפרים את יציבות הטמפרטורה הגבוהה-. וינילן קרבונט (VC) ב-1-2% הוא כמעט אוניברסלי לשיפור איכות SEI על אנודות גרפיט. פלואוראתילן קרבונט (FEC) עובד טוב יותר עבור אנודות המכילות סיליקון. תרכובות אלו מפחיתות באופן מועדף במהלך מחזורי הטעינה הראשוניים, ויוצרות שכבת הגנה על האנודה המוליכה יונית אך מבודדת אלקטרונית.

תוספים להגנה מפני טעינת יתר כמו ביפניל או cyclohexylbenzene מתחילים להתפלמר בסביבות 4.5V, ויוצרים שאנט פנימי שמונע מהמתח לעלות עוד יותר. זה נותן לך הגנה מסוימת אם ה-BMS נכשל, אם כי ההסתמכות עליו היא כמובן לא שיטה מומלצת לתכנון.

ה-SEI הוא כנראה ההיבט הפחות מובן אך החשוב ביותר של פעולת סוללת ליתיום יון. במהלך מחזורי הטעינה הראשונים, רכיבי אלקטרוליט מגיבים עם משטח האנודה ויוצרים שכבת פסיבציה. שכבה זו היא קריטית: היא חייבת להיות מוליכה יונית (כדי לאפשר כניסת יוני ליתיום) אך מבודדת אלקטרונית (כדי למנוע פירוק אלקטרוליט נוסף). הרכב SEI הוא בלגן-עשרות מלחי ליתיום, תרכובות אורגניות ופולימרים כולם מעורבבים יחד בשכבה בעובי 10-100 ננומטר.

היווצרות SEI טובה היא ההבדל בין תא שמסתובב 500 פעמים לבין תא שמסתובב 3,000 פעמים. הבעיה היא שה-SEI אינו סטטי. הוא נסדק במהלך שינויי נפח באנודה, חושף משטח רענן שצורך יותר אלקטרוליט וליתיום כדי לתקן את הנזק. זו הסיבה שהקיבולת דועכת במהלך רכיבה על אופניים גם כשאתה עדין עם התא.

רכיבה על אופניים היא שלב ייצור קריטי. תאים עוברים מחזור טעינה איטי אחד או יותר- בטמפרטורות מבוקרות כדי לקבוע את ה-SEI הראשוני. פרוטוקולי היווצרות הם קנייניים, אבל תעריפי טעינה-ראשונים טיפוסיים הם C/20 עד C/10, והתהליך יכול להימשך 24-48 שעות. היצרנים מייעלים את מגבלות מתח היווצרות, טמפרטורה, תקופות מנוחה ודפוסי רכיבה על אופניים כדי לייצר את ה-SEI היציב ביותר האפשרי. טעות זו עולה לך במחזור חיים.

הזדקנות לוח שנה -אובדן קיבולת אפילו כשהתא רק יושב שם-הוא גם בעיקר תופעת SEI. ה-SEI ממשיך לצמוח באיטיות במעגל פתוח, וצורך ליתיום שניתן למחזור. אחסון במצב טעינה גבוה וטמפרטורה גבוהה מאיץ זאת. תא המאוחסן ב-100% SOC ו-60 מעלות עלול לאבד 20% קיבולת בשנה, בעוד שאותו תא ב-50% SOC ו-25 מעלות עלול לאבד 3%.

תאי ליתיום יון רגישים לטעינת יתר,-פריקת יתר וטעינה בטמפרטורות לא מתאימות. זו הסיבה שכל ערכת סוללות מרובת-תאים זקוקה ל-BMS (מערכת ניהול סוללות).

שיטת הטעינה הסטנדרטית היא זרם קבוע/מתח קבוע (CC-CV). במהלך שלב ה-CC, אתה דוחף זרם לתוך התא בקצב קבוע-בדרך כלל 0.5C עד 1C עבור רוב התאים, אם כי חלק מתאי הספק גבוה- יכולים להתמודד עם 3C או יותר. המתח עולה ככל שהתא נטען. כאשר המתח מגיע לגבול העליון (4.2V עבור רוב הכימיה, 3.65V עבור LFP, 4.3V או 4.35V עבור כמה גרסאות NMC באנרגיה גבוהה-), אתה עובר למצב CV. הזרם הולך ומצטמצם ככל שהתא מתקרב לטעינה מלאה, בדרך כלל מתנתק כאשר הזרם יורד מתחת ל-C/20 או C/50.

טעינה מהירה היא מסובכת יותר. קצבי טעינה גבוהים יותר מאיצים את ציפוי הליתיום על האנודה, וזה מסוכן-ליתיום מתכתי הוא מאוד תגובתי ויכול להוביל לקצרים פנימיים או להיווצרות דנדריטים שחודרים למפריד. כדי לטעון-מהירה בבטחה, עליך להבין כיצד מתח, זרם וטמפרטורה מתקשרים עם תנאי תחילת ציפוי ליתיום.

הבעיה היא שלא ניתן למדוד ציפוי ליתיום ישירות בתא אטום. אתה צריך להסיק את זה מאותות אחרים. גישה אחת היא לעקוב אחר פוטנציאל האנודה לעומת התייחסות למתכת ליתיום. אם פוטנציאל האנודה יורד מתחת ל-0V לעומת Li/Li⁺, מתרחש ציפוי. הבעיה היא שלרוב התאים המסחריים אין אלקטרודות ייחוס.

גם עליית הטמפרטורה בזמן טעינה מהירה חשובה. תא הנטען ב-2C עשוי לראות את הטמפרטורה הפנימית שלו עלייה של 15-20 מעלות מעל הסביבה אפילו עם קירור פעיל. בטמפרטורות קרות, זה למעשה מועיל-לתא קר (נניח -10 מעלות ) יש יכולת כוח ירודה מאוד, אבל אם אתה יכול לחמם אותו על ידי טעינה בקצבים מתונים (0.5C), הביצועים משתפרים. חלק מהמכוניות החשמליות עושות זאת בכוונה: במזג אוויר קר, הן יפעילו פעימת טעינה קצרה בזרם גבוה כדי לחמם את הסוללה לפני שהנהג דורש כוח גבוה להאצה.

איזון תאים הכרחי מכיוון שתאים בסדרה לעולם לא נשארים בהתאמה מושלמת. סובלנות ייצור, הבדלים קטנים בקצבי הפריקה העצמית- ושיפועים תרמיים על פני החבילה גורמים לסחף מתח. אם אתה מטעין מחרוזת סדרה ללא איזון, תאים מסוימים פוגעים בגבול המתח העליון לפני אחרים. התאים החזקים מוטענים בחסר, התאים החלשים מוטענים יתר על המידה, והביצועים סובלים.

איזון פסיבי משתמש בנגדים כדי לשפוך אנרגיה מתאי מתח גבוהים יותר-. זה פשוט וזול אבל מבזבז אנרגיה כחום. איזון פעיל משתמש בממירי DC- DC או קבלים כדי להעביר אנרגיה מתאי גבוה לתאים נמוכים. יעיל יותר, מורכב יותר, יקר יותר. עבור חבילת EV 400V, איזון פסיבי עלול לבזבז 50-100W ברציפות, וזה זניח בהשוואה להספק נהיגה אך מצטבר עם הזמן.

Lithium Ion Battery Technology

יצירת חום בתא יון ליתיום מגיע משלושה מקורות: חום בלתי הפיך (חימום ג'ול מהתנגדות פנימית), חום הפיך (שינוי אנטרופיה של התגובה האלקטרוכימית) וחום מתגובות לוואי. בקצבי C-נמוכים עד בינוניים, חום הפיך שולט. בקצבי C- גבוהים, החום הבלתי הפיך משתלט.

מונח החום הפיך מעניין מכיוון שהוא משנה סימן בהתאם ל-SOC. עבור רוב הכימיה של ליתיום יון, טעינה יוצרת חום ב-SOC נמוך אך סופגת חום ב-SOC גבוה. הפריקה עושה את ההיפך. נקודת ההצלבה היא בסביבות 50-60% SOC בדרך כלל. זו הסיבה שאתה עשוי לראות את טמפרטורת התא למעשה יורדת בשלב הסופי של הטעינה אם הזרם נמוך מספיק.

ההתנגדות הפנימית משתנה בהתאם לטמפרטורה, SOC והזדקנות. ב-25 מעלות, לתא 18650 טרי עשוי להיות התנגדות של 40-60 מיליאוהם DC. ב-20 מעלות, זה יכול לקפוץ ל-200-300 מיליאוהם. זו הסיבה שטווח EV במזג אוויר קר יורד בצורה כה דרמטית. לא רק שהכימיה איטית יותר בטמפרטורות נמוכות, אלא שהעלייה בהתנגדות הפנימית פירושה שיותר מהאנרגיה של הסוללה מתבזבזת כחום בתוך התא.

סף הבריחה התרמית תלוי בכימיה. עבור תאי NMC, תגובות פירוק אקסותרמיות מתחילות בסביבות 180-220 מעלות. לאחר ההפעלה, הטמפרטורה יכולה לעלות ב-10-50 מעלות לשנייה, להגיע ל-800 מעלות ומעלה. LFP הוא הרבה יותר בטוח; תחילת בריחת תרמית היא 270 מעלות + והטמפרטורה המקסימלית שהושגה נמוכה יותר.

התפשטות בין תאים בחפיסה היא הסכנה האמיתית. אם תא אחד נכנס לברוח תרמית, הוא מחמם את שכניו. האם גם התאים השכנים בורחים תלוי ביכולת הקירור, מרווח התאים והבידוד. בדיקת התפשטות UL 9540A מדמה זאת על ידי אילץ תא אחד לברוח תרמית וניטור אם תאים סמוכים עוקבים אחריו. עיצוב חבילה טוב מכיל כשל בתא אחד או לכל היותר למודול קטן.

אסטרטגיות קירור משתנות. קירור אוויר הוא הפשוט ביותר-לנשוף אוויר על התאים או האריזה. עובד בסדר עבור יישומים בצפיפות הספק נמוכה כמו PHEVs או מערכות אחסון אנרגיה. קירור נוזלי הכרחי עבור רכבי רכב חשמליים בעלי ביצועים גבוהים-. רוב העיצובים משתמשים בתערובת 50:50 של גליקול של מים- ב-10-25 ליטר לדקה דרך צלחות קרות או תעלות קירור. טמפרטורת הכניסה נשלטת בדרך כלל ל-20-35 מעלות. שיפוע הטמפרטורה של חבילת הסוללה צריך להישאר מתחת ל-5 מעלות מקסימום עד דקות כדי למנוע הזדקנות מואצת של התאים החמים ביותר.

כמה תכנונים ניסיוניים משתמשים בקירור קירור, קירור טבילה בנוזל דיאלקטרי או חומרים לשינוי שלב.- קירור קירור יכול למשוך יותר חום החוצה אך דורש מערכת AC מורכבת יותר. לקירור טבילה יש מקדמי העברת חום מצוינים (500-2,000 W/m²K לעומת 50-150 W/m²K עבור קירור נוזל עקיף), אך איטום ותאימות נוזלים הם אתגרים. PCMs פועלים באופן פסיבי אך צריכים לדחות את החום המאוחסן בסופו של דבר, כך שהם עוזרים בעיקר בקירור חולף במהלך טעינה מהירה או האצה קשה.

דהיית קיבולת וצמיחת עכבה הם שני מנגנוני השפלה העיקריים. הם נגרמים מכמה תהליכים פיזיקליים וכימיים שונים המתרחשים בו זמנית.

בצד האנודה, גידול SEI צורך ליתיום ואלקטרוליט שניתן למחזור, מה שמגביר את ההתנגדות. קילוף גרפיט יכול להתרחש אם התא נטען בטמפרטורות נמוכות-לוחות ליתיום על פני הגרפיט במקום להשתלב, וכאשר הוא מתערב בסופו של דבר, הוא מפרק את מבנה הגרפיט. לרוב זה בלתי הפיך. פירוק קלסר בטמפרטורות גבוהות גורם לאובדן מגע חשמלי בין חלקיקים.

השפלה של קתודה כוללת פירוק מתכת מעבר (במיוחד מנגן ב-LMO או מנגן-המכיל NMC), שינויים מבניים מהחדרה/חילוץ חוזרים של ליתיום ושחזור פני השטח בקתודות-ניקל גבוהות. מתכות המעבר המומסות נודדות לאנודה שם הן מזרזות את צמיחת ה-SEI, כך שפירוק הקתודה מאיצה בעקיפין את פירוק האנודה.

פירוק אלקטרוליטים ויצירת גזים הם בעיות גדולות יותר במתחים גבוהים ובטמפרטורות גבוהות. גזים נפוצים כוללים CO₂, CO ופחמימנים שונים מפירוק קרבונט. בתאי פאוץ', תראה את השקית מתנפחת באופן גלוי. בתאים גליליים או מנסרים עם מארזים קשים, הלחץ מצטבר עד לפתיחת פתח הבטיחות (בדרך כלל ב-10-15 בר).

אובדן מלאי ליתיום הוא מנגנון דהייה עיקרי. בכל פעם שה-SEI גדל או לוחות ליתיום באופן בלתי הפיך על האנודה, קצת ליתיום נלקח ממאגר הליתיום שניתן למחזור. בסופו של דבר נגמר לך והקיבולת יורדת.

כשלים פתאומיים יכולים להתרחש ממכנסים קצרים פנימיים. רוב המכנסיים הקצרים מתחילים בקטן-חלקיק מתכת זעיר נוקב את המפריד, או דנדריט ליתיום צומח דרכו. הקצר יוצר נקודה חמה, שמאיצה את השפלה המקומית, מה שמחמיר את הקצר, ומקבלים לולאת משוב חיובית. לפעמים התא עצמו -מתרפא אם הקצר נמס בעצמו. פעמים אחרות הוא מתקדם לבריחה תרמית.

בדיקות חדירת ציפורניים (כפיית מסמר פלדה דרך תא טעון) הן בדיקת התעללות סטנדרטית. תאי LFP בדרך כלל לא נכנסים לבריחה תרמית מחדירת ציפורניים. תאי NMC עושים זאת לעתים קרובות, אם כי עיצובים עם מפרידים טובים יותר ואנרגיה ספציפית נמוכה יותר יכולים לפעמים לעבור.

איור 5 מתווה שימור קיבולת לעומת מספר מחזור עבור מספר כימיות בתנאי רכיבה מתונים (טעינה/פריקה 1C, 25 מעלות, 100% DOD).

אתה לא יכול למדוד ישירות כמה אנרגיה יש בתא יון ליתיום. אתה צריך להעריך אותו מדידות אחרות: מתח, זרם וטמפרטורה.

שיטת הערכת ה-SOC הפשוטה ביותר היא מבוססת-מתח. לכל כימיה יש מתח מעגל פתוח- אופייני לעומת עקומת SOC. מדוד את המתח לאחר שהתא נח לזמן מה (כדי לאפשר למתח חולף לירידות עקב דעיכת התנגדות פנימית), חפש אותו בעקומת OCV, ואתה יודע SOC. הבעיה היא שלעתים רחוקות יש לך זמן לתא לנוח ביישומים אמיתיים.

ספירת קולומב היא הגישה הסטנדרטית. אתה משלב זרם לאורך זמן כדי לעקוב אחר הטעינה פנימה והחוצה. אם אתה מתחיל ב-SOC ידוע, אתה יכול לחשב את ה-SOC החדש בכל עת. הדיוק תלוי בחיישן הנוכחי שלך (±0.5% אופייני) ובידיעת הקיבולת האמיתית. שגיאות מצטברות עם הזמן, לכן עליך לכייל מחדש מעת לעת על ידי ביצוע מחזור טעינה או פריקה מלא.

שיטות מבוססות-מודל משתמשות במודל מעגל שווה ערך או במודל אלקטרוכימי של התא. אתה מודד מתח וזרם מסוף, מעביר אותם דרך המודל שלך ומחלץ מצבים פנימיים כולל SOC. מסנני קלמן מורחבים או תצפיות מדינה דומות נפוצים. גישות אלו יכולות להיות מדויקות מאוד (±2% שגיאת SOC) אך דורשות מודלים טובים ומשאבי חישוב משמעותיים.

הערכת SOH קשה יותר מכיוון שאתה מנסה לכמת את השפלה, שהיא איטית והדרגתית. דהיית קיבולת וצמיחת עכבה לא בהכרח מתואמים באופן ליניארי זה עם זה או עם ספירת המחזור. תא שהוטען-מהיר מאוד עשוי להיות בעל עכבה גבוהה אך דהיית קיבולת מתונה בלבד. תא שאוחסן ב-SOC/טמפרטורה גבוהים עשוי להיות בעל דהיית קיבולת משמעותית אך צמיחת עכבה נמוכה יחסית.

הנוהג בתעשייה הוא להגדיר SOH על סמך קיבולת: תא ב-80% מהקיבולת המקורית שלו הוא ב-80% SOH, ולעתים קרובות זה נחשב לסוף-ה-חיים עבור יישומי EV. התא עדיין עובד, אבל הטווח ירד ב-20%. עבור יישומי אחסון אנרגיה, תאים עשויים לשמש עד 60-70% SOH.

חלק מה-BMS מבצעים בדיקות קיבולת תקופתיות-פורקות את הסוללה במלואה בקצב נמוך ומודדות כמה אנרגיה יוצאת. זה מדויק אך חודרני (הסוללה אינה זמינה במהלך הבדיקה) ולוקח שעות. גישות אחרות מנסות להעריך קיבולת בעקיפין מעקומות מתח, מדידות עכבה או יעילות קולומבית.

ניתן למדוד התנגדות פנימית על ידי הפעלת דופק זרם ומדידה של תגובת מתח, או על ידי הזרקת אות AC קטן בתדרים שונים (ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית). EIS נותן הרבה יותר מידע אך דורש חומרה מיוחדת אשר קיימת רק לעתים רחוקות ב-BMS מסחריים.

Lithium Ion Battery Technology

כאשר סוללת EV מגיעה לסוף-החיים-(בדרך כלל 70-80% מהקיבולת המקורית), היא עדיין מתפקדת בצורה מושלמת עבור יישומים פחות תובעניים. השימוש בסוללה לחיים שניים צובר אחיזה לאגירת אנרגיה נייחת.

הכלכלה מסובכת. עליך לבדוק את החבילה שיצאה משימוש, פוטנציאלית לייצר אותה מחדש (להחליף את ה-BMS, מערכת הקירור או מודולים פגומים), לאשר אותה עבור היישום החדש ולספק אחריות. כל זה עולה כסף. כדי שהחיים השניים- יהיו הגיוניים, החבילה המשופצת צריכה לעלות פחות משמעותית מחבילה חדשה המיועדת ליישום הנייח. העלויות נשברות גם אם השיפוץ פועל בפחות מ-40-50% מעלות החבילה החדשה, תלוי בניתוח של מי אתה מאמין.

בדיקת תאים שיצאו משימוש אינה-טריוויאלית. מודול עשוי להכיל מאות תאים בסדרה-מקבילה. אתה לא יכול בקלות לבדוק אותם בנפרד. אתה יכול לבדוק את המודול כיחידה, אבל תא רע אחד יכול להסוות את עצמו. חלק ממצבי השפלה קשים לזיהוי ללא בדיקות הרסניות. ישנה גם שאלת האחריות: אם סוללת חיים שנייה-תעלה באש, מי אחראי?

מיחזור הוא מסלול הסוף-של-החיים האולטימטיבי. מיחזור נוכחי בקנה מידה גדול- משתמש בפירומטלורגיה (התכה) או הידרומטלורגיה (שטיפה כימית). פירומטלורגיה פשוטה יותר אך פחות סלקטיבית-אתה מקבל סגסוגות מתכת מעורבות שצריכות זיקוק נוסף. הידרומטלורגיה יכולה לשחזר מתכות בודדות בטוהר גבוה יותר אך דורשת יותר שלבים ויוצרת פסולת כימית.

הכלכלה של המיחזור תלויה במידה רבה במחירי המתכות. קובלט הוא בעל ערך (בערך 30$-40$ לק"ג היסטורית, אם כי המחירים משתנים בפראות), ולכן מיחזור כימיקלים עשירים בקובלט- הוא כדאי מבחינה כלכלית. ניקל שווה מיחזור בקנה מידה. מנגן, ברזל ואלומיניום הם מתכות בעלות ערך-נמוך, כך שהמיחזור הגיוני בעיקר כדי להרחיק אותם ממזבלות. ליתיום הוא מעניין - זה לא יקר במיוחד לקילוגרם, אבל אילוצי אספקה הופכים את ההתאוששות לאטרקטיבית.

מיחזור ישיר-פירוק הסוללה ושימוש חוזר בחומר הקתודה או האנודה ישירות מבלי לפרק אותם למלחי מתכת-הוא תחום מחקר חם. אם תוכל לשחזר אבקת קתודה בצורה שמישה, תחסוך באנרגיה ובעלות של סינתזת קתודה. האתגרים כוללים הפרדת החומר הפעיל מאוספנים עכשוויים ומקלסרים, והתמודדות עם העובדה שחומר ממוחזר הוא תערובת של תאים מיצרנים, גילאים וכימיה שונים.