מהו מחזור פריקה?

היה לי שיחה ביום שלישי שעבר עם סטארט-אפ שעשה את המכשיר הידני הראשון שלהם. ראש הממשלה שואל אותי כמה פעמים המשתמשים שלהם יכולים לטעון את הסוללה. אמרתי שזה תלוי. הוא רצה מספר. אמרתי לו 500, אולי, בתנאים מושלמים שלעולם לא יתקיימו בשטח.

זו הבעיה עם מחזורי פריקה. הרעיון הוא פשוט למדי, אבל היישום שלו על מוצרים אמיתיים מסתבך מהר.

הסוללה שלך לא סופרת חיבורים-. זה סופר את תפוקת הקיבולת. רוקן 100% מקיבולת לוחית השם וזה מחזור אחד. בצע את זה בזריקה אחת או פזר את זה על פני שבוע של הפרשות חלקיות - אותה תוצאה.

ה-18650 שיושב בפנס שלך כרגע עשוי להיות על מחזור 47 או מחזור 212. אלא אם כן עקבת אחר שעות -אמפר באופן דתי, אין לך מושג. התא בטוח לא יודע. אין דלפק קטן בפנים. ה-BMS שלך מעריך אותו על סמך ספירת קולומב, וסחיפות ספירת קולומב. פירקתי חבילות שבהן ספירת המחזורים המדווחת ירדה ב-30% בהשוואה להזדקנות לוח השנה בפועל.

Samsung SDI פרסמה כמה נתונים בשנת 2019 המראים כי 21700 התאים שלהם משיגים 83% קיבולת במחזור 300 תחת פרוטוקול הבדיקה הסטנדרטי שלהם. תאי NCR של Panasonic מאותו תקופה היו יותר כמו 78% ב-300 מחזורים. המספרים הללו הגיעו מתאי אקלים ב-23 מעלות עם טעינת CC-CV ב-0.5C ופריקה ב-1C עד 2.5V cutoff. הקילומטראז' שלך ישתנה כי מקרה השימוש שלך אינו תא אקלים.

כולם בתעשייה הזאת מדברים על עומק הפריקה כאילו זה סוג של מנוף קסם. מחזורים רדודים מאריכים את החיים, מחזורים עמוקים הורגים תאים מהר יותר. נכון מספיק. אבל מערכת היחסים היא לא מה שרוב האנשים מצפים.

ניהלתי פרויקט צדדי בשנת 2021 בניסיון לכמת זאת עבור לקוח מכשור רפואי. לקחנו 200 תאים מאותה מגרש ייצור, חילקנו אותם לקבוצות, והעברנו אותם ברמות DoD שונות במשך שמונה חודשים. קבוצת 100% DoD התמקמה סביב מחזור 380. קבוצת 60% DoD עדיין הייתה בקיבולת של 88% בשווה ערך ל-900 מחזורים מלאים. קבוצת 30% DoD בקושי הראתה השפלה בכלל לאחר שנה.

אבל זה מה שגליונות הנתונים לא יגידו לך. ההזדקנות בלוח השנה אכלה את כל הקבוצות בערך באותו קצב ללא קשר לרכיבה על אופניים. בחודש עשר, אפילו התאים שבקושי נגענו איבדו 4-5% קיבולת רק כשהם יושבים שם ב-50% מצב טעינה בחדר של 25 מעלות. התאים שחוברו בחוזקה ספגו מכה משני הכיוונים - מחזור הזדקנות בתוספת יישון לוח שנה שנערמו זה על גבי זה.

אז כשהלקוח שלך שואל מדוע המכשיר בן השנתיים- שלו לא מחזיק כל כך הרבה זמן למרות שהוא "בקושי השתמש בו" - זו הסיבה.

Discharge Cycle

יש לי ארגז של תאים במוסך שלי מארז סוללות של עגלת גולף שבילה שלושה קיצים בסככה בטוסון. הבעלים נשבע שהוא השתמש בעגלה רק אולי פעמיים בחודש. החבילה דורגה עבור 2000 מחזורים. הוא מת בגיל 160. תאים נראו בסדר חיצונית. אחד נפתח ולגליל הג'לי היו כתמים חומים על המפריד. האלקטרוליט התפרק חלקית.

חום הורג תאי ליתיום. לא מהיר כמו קצר מת. לאט, כמו להשאיר חמאה בחוץ על השיש.

מערכת היחסים של Arrhenius נותנת לך בערך פי 2 קצב השפלה עבור כל 10 מעלות מעל 25 מעלות. אבל זה ממוצע על פני כימיה. תאי NMC שבדקתי נפלו מהר יותר. LFP החזיק מעמד טוב יותר. תאי הפאוץ' שאנו משתמשים בהם לרכיבים לבישים רגישים יותר מאשר תאים גליליים עם אותה כימיה, מכיוון שהמסה התרמית נמוכה יותר והם מתגברים יותר תחת עומס.

הפרשות קרה מטרידות אך לא הרסניות. אתה מאבד יכולת זמנית. זה חוזר כשהתא מתחמם. שחררתי תאים ב--15 מעלות שנתנו רק 61% מהקיבולת המדורגת, ואז נתתי להם להתחמם לטמפ' החדר וקיבלתי את מלוא ה-3.2Ah בפריקה הבאה. טעינה קרה היא הרוצח - ציפוי ליתיום על האנודה. הנזק הזה הוא קבוע. רוב ה-BMS נועלים טעינה מתחת ל-0 מעלות בדיוק מהסיבה הזו.

כל פריקה מעבירה יוני ליתיום מאנודת הגרפיט אל הקתודה. כל מטען דוחף אותם לאחור. תעשה את זה מספיק פעמים ודברים יתחילו להתקלקל.

שכבת SEI על האנודה מתעבה. השכבה הזו אמורה להיות שם - היא מגינה על הגרפיט מהאלקטרוליט. אבל הוא גדל עם כל מחזור, וצמיחה פירושה שהוא צורך ליתיום שאחרת יכול היה לאגור אנרגיה. זו הסיבה שהיכולת דועכת גם כששום דבר דרמטי לא קורה.

חלקיקי קתודה נסדקים. לקתודות NMC ו-NCA יש מבנה גבישי שמתרחב ומתכווץ ככל שהליתיום עובר פנימה והחוצה. נוצרים מיקרו-סדקים. שטח הפנים גדל. תגובות לוואי מואצות. ראיתי חתכים-של חלקיקי קתודה מתאי-מחזור גבוה שנראים כמו זכוכית מנופצת מתחת למיקרוסקופ בהשוואה לתאים טריים מאותה אצווה.

האלקטרוליט מתפרק. מי עקבות גורמים לבעיות. מתח גבוה מאיץ את החמצון. אתה בסופו של דבר עם יצירת גזים, עכבה מוגברת, ובסופו של דבר התא מתנפח או פורקן.

כל זה לא קורה באופן שווה. התאים במחרוזת הסדרה שלך שפועלים חמים יותר או שהתחילו עם קיבולת מעט נמוכה יותר מזדקנים מהר יותר. לאחר שנה או שנתיים, החבילה ה"מתואמת" שלך אינה מותאמת יותר. התא החלש מגביל את כל המיתר בפריקה ומתאמץ יותר מדי בניסיון לעמוד בקצב. ספירלת מוות משם.

IEC 62660 ותקני ה-UL השונים נותנים לך קו בסיס. תעביר אותם ותוכל לשלוח את המוצר. אבל צפיתי בבדיקות הסמכה של תאים ואז הופיע בהחזרות בשטח שישה חודשים לאחר מכן עם שקיות נפוחות.

מבחני ההסמכה נועדו להיות ניתנים לשחזור על פני מעבדות, לא לדמות שימוש אמיתי. אף אחד לא משתמש בטלפון שלו בזרם קבוע של 0.5C בדיוק. אף אחד לא טוען את הכלי החשמלי שלו בפרופיל קורות חיים מושלם-ב-25 מעלות.

אם אתה רציני בהבנת הביצועים של החבילה שלך, אתה צריך לבנות פרוטוקול בדיקה שתואם את המשתמש שלך בפועל. תן פרופיל של זרם הפריקה הצפוי שלך. כלול את תקופות המנוחה. פגע בטמפרטורה הקיצונית שהמוצר שלך יראה. הפעל מספיק תאים כדי לקבל ביטחון סטטיסטי - וזה אומר לפחות 15-20 לכל מצב בדיקה, לא ה-3-5 שרוב הסטארט-אפים מנסים לברוח איתם.

לתאים שנכשלו בשלב מוקדם בבדיקות החיים היו כמעט תמיד פגמים בייצור. כתמים על האלקטרודה, זיהום, ריתוכים גרועים בלשוניות. אלה יופיעו ב-50 המחזורים הראשונים. התאים שנכשלים מאוחר - אלו הם אלה שאומרים לך משהו על העיצוב שלך.

אתה יכול לחשב חיי מחזור צפויים אם אתה מכיר את פרופיל המשתמש שלך. טלפון שנטען מדי יום, אולי מתנקז ל-20% בממוצע לפני חיבור - שזה בערך 0.8 מחזורים ליום. במשך שנתיים צפויות-, אתה מסתכל על 580 מחזורים. אם התאים שלך מדורגים עבור 500 מחזורים עד 80% קיבולת, אתה תתחיל לראות תלונות בסביבות חודש 18.

זו הסיבה שאפל וסמסונג מגדילות את החבילות שלהן ביחס לקיבולת המפורסמת. "100%" שאתה רואה בטלפון שלך הוא לא 100% ממה שהתאים יכולים להכיל בפועל. הם שומרים על חיץ בחלק העליון והתחתון כדי להפחית את הלחץ על התאים. הטלפון שלך עשוי להיות בעל קיבולת פיזית של 4500mAh אבל התוכנה מאפשרת לך להשתמש רק ב-4000mAh ממנו.

אותו רעיון עובד עבור כל מוצר סוללה. אתה יכול להגיע ליעד חיי המחזור שלך עם תאים טובים יותר - שעולים יותר - או שאתה יכול להגיע אליו על ידי הכנסת קיבולת נוספת והפעלת התאים בצורה קלה יותר. האפשרות השנייה מנצחת בדרך כלל על העלות הכוללת כאשר אתה מביא בחשבון עתודות אחריות.

Discharge Cycle

מחזור פריקה הוא רק דרך לכמת בלאי. כמו קילומטרים של מד מרחק במכונית, אבל היחס בין קילומטרים לשארית החיים הוא רווי יותר. לשתי חבילות ב-300 מחזורים יכולות להיות קיבולת שנותרה שונה לחלוטין בהתאם לאופן שבו הן הגיעו לשם.

יצרני התאים יתנו לך את המספרים שלהם. התפקיד שלך הוא להבין איך המספרים האלה מתורגמים למוצר הספציפי שלך ולמשתמשים הספציפיים שלך. אין נוסחה לזה. אתה בודק, אתה שולח, אתה צופה בנתוני השטח, ומתאים.