La durata del ciclo indica il numero di cicli di carica{0}}scarica eseguiti da una batteria prima che si riduca ad un livello di capacità predefinito. Di solito è l'80%, anche se ho visto specifiche ovunque: 70% per alcune applicazioni automobilistiche, 85% per altre. La soglia stessa è piuttosto arbitraria e ha più a che fare con i calcoli della garanzia che con qualsiasi proprietà fondamentale della chimica della batteria.
Perché le batterie si degradano
Lo strato SEI sugli anodi di grafite è probabilmente il meccanismo di degrado più studiato nelle batterie agli ioni di litio-. Quando carichi la cella per la prima volta, l'elettrolita si decompone sulla superficie dell'anodo e forma questa pellicola solida-principalmente carbonato di litio, un po' di fluoruro di litio se usi il sale LiPF6, varie specie organiche. Questo strato dovrebbe stabilizzarsi dopo alcuni cicli. Non è così. Continua a crescere, lentamente, divorando il litio che dovrebbe circolare. Qualche anno fa ho lavorato a un progetto cercando di stabilizzare il SEI con additivi elettrolitici. Il FEC (fluoroetilene carbonato) aiuta, il VC (vinilene carbonato) aiuta di più. Nessuno dei due lo risolve completamente.
I catodi ad alto-nichel si rompono. NMC811, composto per l'80% da nichel, 10% manganese e 10% cobalto, subisce enormi cambiamenti di volume durante il ciclo-molto più delle vecchie composizioni NMC111 o NMC523. Le particelle si fratturano letteralmente. Puoi vederlo al SEM dopo poche centinaia di cicli. CATL ha scoperto intorno al 2019 che se si sintetizzano particelle monocristalline-invece degli aggregati policristallini che tutti producevano, si elimina la maggior parte delle fessurazioni perché non ci sono bordi dei grani. Sembra ovvio ora, ma per ottenere i parametri di sintesi corretti su larga scala ci sono voluti anni. Penso che BYD stia facendo qualcosa di simile con la batteria Blade, ma non pubblica molto sull'elaborazione del catodo.
La temperatura conta più di ogni altra cosa, onestamente. Per ogni aumento di 10 gradi si raddoppia all’incirca il tasso di invecchiamento. Questo non è esatto-meccanismi diversi hanno energie di attivazione diverse-ma è abbastanza vicino per stime ingegneristiche. Un pacco che funziona a una temperatura media di 35 gradi durerà molto più a lungo di uno a 45 gradi. Tesla lo ha imparato presto con la Roadster. Le loro auto successive hanno una gestione termica piuttosto aggressiva, si raffreddano anche quando sono parcheggiate se il pacco diventa troppo caldo.
Il freddo è strano. La chimica della degradazione rallenta, il che è positivo. Ma ottieni una resistenza molto più alta e se provi a caricare troppo velocemente, placcarai il litio sull'anodo, il che è molto brutto. I depositi di litio rappresentano una perdita di capacità irreversibile e se crescono in dendriti si può ottenere un cortocircuito interno. Per questo motivo, la maggior parte dei veicoli elettrici non consente la ricarica rapida CC al di sotto di 0 gradi.
Profondità di scarico
C'è questo effetto ben-noto per cui il ciclo superficiale prolunga la vita. Se utilizzi solo il 40% della capacità della batteria anziché il 100%, potresti triplicare la durata del ciclo. Forse di più. I meccanismi non sono del tutto chiari. Probabilmente sono utili variazioni di volume minori negli elettrodi. Evitare potenziali estremi degli elettrodi in cui le reazioni collaterali accelerano aiuta sicuramente. Ma nessuno è riuscito a definire esattamente il contributo esatto di ciascun fattore.
Ogni veicolo elettrico ti nasconde una certa capacità. Quando la tua dashboard dice 0% probabilmente sei al 5% di SOC reale. Quando dice 100% sei al 95% o forse al 90%. I produttori non pubblicano questi numeri. Ho provato a decodificarlo-sul mio vecchio Bolt esaminando i dati BMS sul bus CAN, ma le tabelle di calibrazione sono crittografate.
Test dei problemi relativi alla sequenza temporale
Nessuno vuole aspettare 3-4 anni per convalidare il progetto di una batteria. Quindi eseguiamo test accelerati: temperature più elevate, velocità di ciclismo più veloci. Il problema è che non tutti i meccanismi di degrado accelerano allo stesso modo. Alcuni lo fanno, altri no. L'accelerazione della temperatura funziona abbastanza bene per la maggior parte dei processi chimici. L'accelerazione della velocità è approssimativa. E ci sono modalità di errore che compaiono solo dopo un tempo di calendario prolungato che non puoi proprio accelerare.
Le recenti previsioni di ML sono interessanti. Inserisci i dati del ciclo iniziale in un modello che prevede il declino della capacità a lungo termine. Stanford ha pubblicato alcuni lavori su questo argomento nel 2019, Carnegie Mellon ha fatto cose simili. Funziona sorprendentemente bene sulle cellule su cui si sono allenati. Il problema è la generalizzazione. Se si modifica la composizione del catodo o la formulazione dell'elettrolita, è necessario riqualificarsi con nuovi dati, il che vanifica lo scopo se si sta cercando di prevedere la durata di un nuovo progetto.
Chimiche diverse
LFP ha una durata del ciclo migliore rispetto a NMC, punto. Puoi ottenere facilmente 3000-5000 cicli, a volte di più. La penalizzazione della densità energetica è brutale, anche se-rinunci al 30-40% rispetto all'NMC ad alto contenuto di nichel. I produttori cinesi hanno deciso che questo compromesso ha senso per i veicoli elettrici più economici in cui le persone non hanno bisogno di un'autonomia di 300+ miglia. BYD, CATL, tutti lì stanno facendo LFP per veicoli della gamma standard. Gli OEM occidentali sono più lenti ad adottarlo. Differenza culturale o differenza di mercato o entrambe, non ne sono sicuro.
Si suppone che lo ione sodio- abbia un ciclo di vita simile a quello dell'LFP in base a quanto affermano CATL e Natron, ma è in produzione solo da circa un anno, quindi chissà cosa succede dopo 5+ anni sul campo.
Lo stato solido-continua a promettere un ciclo di vita migliore perché l'assenza di elettrolita liquido significa interfacce più stabili. Ma continuano a non essere disponibili in commercio. QuantumScape è "a due anni di distanza" ormai da circa sei anni. Resistenza dell'interfaccia, perdita di contatto durante la pedalata, dendriti di litio in alcuni progetti-questi problemi sono più difficili di quanto si pensasse. Forse gli elettroliti solforati funzioneranno meglio degli ossidi. I dati provenienti dal Giappone suggeriscono che forse.
Invecchiamento del calendario
Questo viene spesso ignorato, ma è enorme per i veicoli che non vengono guidati molto. La tua batteria si degrada semplicemente stando lì. Sia la temperatura di conservazione che il SOC sono importanti. Il caso peggiore è una carica del 100% ad alta temperatura-perderai più punti percentuali all'anno senza fare nulla. 40% SOC a temperatura ambiente è una conservazione ottimale ma ovviamente non è pratica per un'auto che usi effettivamente.
Lo stoccaggio in rete è un animale completamente diverso. Hai bisogno di 20+ anno di durata, il che significa 7000+ cicli minimi, probabilmente 10,000+ se esegui più cicli al giorno. Ma puoi tollerare una densità energetica inferiore e hai più spazio per la gestione termica. L'economia funziona in modo diverso-Il CAPEX conta di più rispetto all'OPEX quando si ammortizza nel corso di decenni.
Non ne so abbastanza dei nuovi tipi di batterie per dire che sono molto utili. Il litio-zolfo ha ancora un ciclo di vita terribile a causa della navetta del polisolfuro, anche se alcune aziende affermano di aver risolto il problema. Gli anodi metallici di litio- abbinati a elettroliti solidi potrebbero essere la strada da seguire, ma il problema dei dendrite non è scomparso. E anche se i materiali funzionano, l'incremento della produzione di qualsiasi cosa nuova richiede almeno 5-10 anni. Quindi, qualunque cosa accada dopo, saremo bloccati con le varianti agli ioni di litio per almeno un altro decennio.
Non ne so abbastanza dei nuovi tipi di batterie per dire che sono molto utili. Il litio-zolfo ha ancora un ciclo di vita terribile a causa della navetta del polisolfuro, anche se alcune aziende affermano di aver risolto il problema. Gli anodi metallici di litio- abbinati a elettroliti solidi potrebbero essere la strada da seguire, ma il problema dei dendrite non è scomparso. E anche se i materiali funzionano, l'incremento della produzione di qualsiasi cosa nuova richiede almeno 5-10 anni. Quindi, qualunque cosa accada dopo, saremo bloccati con le varianti agli ioni di litio per almeno un altro decennio.
Batterie ai polimeri di litiosi collocano a metà tra una-migliore flessibilità di confezionamento rispetto alle celle cilindriche e una durata paragonabile a quella degli ioni di litio-standard se si mantengono temperature ragionevoli. Opzione decente per spazi limitati ma niente di rivoluzionario.
