Cos'è il ciclo di scarica?

Martedì scorso ho ricevuto una chiamata da una startup che stava realizzando il suo primo dispositivo portatile. Il PM mi chiede quante volte i loro utenti possono caricare la batteria. Ho detto che dipende. Voleva un numero. Gli ho detto 500, forse, in condizioni perfette che sul campo non esisteranno mai.

Questo è il problema con i cicli di scarica. Il concetto è semplicissimo ma applicarlo a prodotti reali diventa complicato rapidamente.

La tua batteria non conta i plug-in. Conta la capacità effettiva. Scaricare il 100% della capacità nominale e questo è un ciclo. Fallo in un colpo solo o distribuiscilo su una settimana di scariche parziali - stesso risultato.

Il 18650 che si trova nella tua torcia in questo momento potrebbe essere sul ciclo 47 o sul ciclo 212. A meno che tu non abbia monitorato religiosamente gli amp-ore, non ne hai idea. La cellula sicuramente non lo sa. Non c'è un piccolo bancone all'interno. Il tuo BMS lo stima in base al conteggio di Coulomb e alle derive del conteggio di Coulomb. Ho separato i pacchetti in cui il conteggio dei cicli riportato era inferiore del 30% rispetto all'invecchiamento effettivo del calendario.

Samsung SDI ha pubblicato alcuni dati nel 2019 che mostrano che le loro 21700 celle raggiungono l'83% di ritenzione della capacità al ciclo 300 secondo il protocollo di test standard. Le celle Panasonic NCR della stessa epoca erano più vicine al 78% a 300 cicli. Questi numeri provengono da camere climatiche a 23 gradi con carica CC-CV a 0,5 °C e scarica con interruzione da 1 °C a 2,5 V. Il tuo chilometraggio varierà perché il tuo caso d'uso non è una camera climatica.

Tutti in questo settore parlano della profondità di scarica come se fosse una sorta di leva magica. I cicli superficiali prolungano la vita, i cicli profondi uccidono le cellule più velocemente. Abbastanza vero. Ma la relazione non è ciò che la maggior parte delle persone si aspetta.

Ho eseguito un progetto parallelo nel 2021 cercando di quantificarlo per un cliente di dispositivi medici. Abbiamo preso 200 celle dallo stesso lotto di produzione, le abbiamo divise in gruppi e le abbiamo sottoposte a cicli a diversi livelli DoD per otto mesi. Il gruppo DoD al 100% è crollato intorno al ciclo 380. Il gruppo DoD al 60% era ancora all'88% della capacità, equivalente a 900 cicli completi. Il gruppo DoD al 30% non ha mostrato quasi alcun degrado dopo un anno.

Ma ecco cosa le schede tecniche non ti diranno. L’invecchiamento dovuto al calendario stava influenzando tutti i gruppi più o meno allo stesso ritmo, indipendentemente dal ciclismo. Al decimo mese, anche le celle che abbiamo appena toccato avevano perso il 4-5% della capacità restando lì con uno stato di carica del 50% in una stanza a 25 gradi. Le cellule sottoposte a cicli intensivi venivano colpite da entrambe le direzioni: l'invecchiamento del ciclo e l'invecchiamento del calendario si accumulavano l'uno sull'altro.

Pertanto, quando il tuo cliente ti chiede perché il suo dispositivo di due{0}}anni-non dura così a lungo anche se lo ha "usato a malapena" - ecco perché.

Discharge Cycle

Nel mio garage ho una scatola di celle di un pacco batterie di un carrello da golf che ha trascorso tre estati in un capannone a Tucson. Il proprietario ha giurato di usare il carrello solo forse due volte al mese. Il pacco è stato valutato per 2000 cicli. Morì a 160. Le cellule sembravano a posto esternamente. Uno si aprì e il rotolo di gelatina aveva macchie marroni sul separatore. L'elettrolito si era parzialmente decomposto.

Il calore uccide le celle al litio. Non veloce come un corto morto. Lento, come lasciare il burro sul bancone.

La relazione Arrhenius fornisce un tasso di degradazione pari a circa 2x per ogni 10 gradi sopra i 25 gradi. Ma questa è una media tra le chimiche. Le celle NMC che ho testato sono cadute più velocemente. La LFP ha retto meglio. Le celle a sacchetto che utilizziamo per i dispositivi indossabili sono più sensibili delle celle cilindriche con la stessa chimica perché la massa termica è inferiore e diventano più calde sotto carico.

Le perdite fredde sono fastidiose ma non distruttive. Perdi temporaneamente la capacità. Ritorna quando la cella si riscalda. Ho scaricato le celle a -15 gradi che fornivano solo il 61% della capacità nominale, quindi le ho lasciate riscaldare a temperatura ambiente e ho ottenuto 3,2 Ah completi alla scarica successiva. La carica a freddo è il killer: la placcatura al litio sull'anodo. Quel danno è permanente. La maggior parte dei BMS blocca la ricarica al di sotto di 0 gradi proprio per questo motivo.

Ogni scarica sposta gli ioni di litio dall'anodo di grafite al catodo. Ogni accusa li respinge. Fallo abbastanza volte e le cose inizieranno a crollare.

Lo strato SEI sull'anodo si ispessisce. Quello strato dovrebbe essere lì - protegge la grafite dall'elettrolita. Ma cresce ad ogni ciclo, e la crescita significa che consuma litio che altrimenti potrebbe immagazzinare energia. Questo è il motivo per cui la capacità svanisce anche quando non accade nulla di drammatico.

Le particelle catodiche si rompono. I catodi NMC e NCA hanno una struttura cristallina che si espande e si contrae mentre il litio entra ed esce. Si formano micro-fessure. La superficie aumenta. Le reazioni collaterali accelerano. Ho visto sezioni trasversali-di particelle catodiche di celle ad alto-ciclo che al microscopio sembrano vetro frantumato rispetto alle cellule fresche dello stesso lotto.

L'elettrolito si rompe. L'acqua in tracce causa problemi. L'alta tensione accelera l'ossidazione. Si finisce con la generazione di gas, una maggiore impedenza e alla fine la cella si gonfia o si sfiata.

Niente di tutto ciò avviene in modo uniforme. Le celle della stringa in serie che diventano più calde o avviate con una capacità leggermente inferiore invecchiano più velocemente. Dopo un anno o due, il tuo pacchetto "abbinato" non è più abbinato. La cella debole limita l'intera stringa durante la scarica e si sforza di tenere il passo. Spirale mortale da lì.

IEC 62660 e i vari standard UL forniscono una linea di base. Superali e potrai spedire il prodotto. Ma ho visto cellule superare i test di certificazione e poi presentarsi sul campo sei mesi dopo con le tasche gonfie.

I test di certificazione sono progettati per essere ripetibili tra i laboratori, non per simulare l'uso reale. Nessuno usa il proprio telefono con una corrente costante esattamente di 0,5°C. Nessuno carica il proprio elettroutensile con un profilo CC-CV perfetto a 25 gradi.

Se sei seriamente intenzionato a capire come funzionerà il tuo pacchetto, devi creare un protocollo di test che corrisponda al tuo utente reale. Profila la corrente di scarica prevista. Includere i periodi di riposo. Raggiungi le temperature estreme che il tuo prodotto vedrà. Esegui abbastanza celle per ottenere la confidenza statistica - e ciò significa almeno 15-20 per condizione di test, non le 3-5 con cui la maggior parte delle startup cerca di farla franca.

Le celle che falliscono all'inizio dei test di vita avevano quasi sempre difetti di fabbricazione. Sbavature sull'elettrodo, contaminazioni, saldature difettose sulle linguette. Quelli verranno visualizzati nei primi 50 cicli. Le celle che falliscono tardi - sono quelle che ti dicono qualcosa sul tuo progetto.

Puoi calcolare la durata del ciclo prevista se conosci il tuo profilo utente. Un telefono che viene caricato quotidianamente, forse si scarica in media fino al 20% prima di collegarlo -, ovvero circa 0,8 cicli al giorno. Su una vita prevista di due-anni si contano 580 cicli. Se le tue celle sono classificate per 500 cicli all'80% della capacità, inizierai a vedere reclami intorno al mese 18.

Questo è il motivo per cui Apple e Samsung sovradimensionano i loro pacchetti rispetto alla capacità pubblicizzata. Il "100%" che vedi sul tuo telefono non è il 100% di ciò che le celle possono effettivamente contenere. Mantengono un buffer nella parte superiore e inferiore per ridurre lo stress sulle cellule. Il tuo telefono potrebbe avere 4500 mAh di capacità fisica, ma il software ti consente di utilizzarne solo 4000 mAh.

La stessa idea funziona per qualsiasi prodotto a batteria. Puoi raggiungere il tuo obiettivo di ciclo di vita con celle migliori - che costano di più - oppure puoi raggiungerlo aggiungendo capacità extra e utilizzando le celle più facilmente. La seconda opzione di solito vince sul costo totale se si tiene conto delle riserve di garanzia.

Discharge Cycle

Il ciclo di scarica è solo un modo per quantificare l'usura. Come le miglia del contachilometri di un'auto, ma il rapporto tra miglia e vita rimanente è più debole. Due pacchi a 300 cicli possono avere una capacità rimanente completamente diversa a seconda di come sono arrivati a quel livello.

I produttori di celle ti forniranno i loro numeri. Il tuo compito è capire come questi numeri si traducono nel tuo prodotto specifico e nei tuoi utenti specifici. Non esiste una formula per questo. Provi, spedisci, guardi i dati sul campo e aggiusti.