Глубокое погружение: механизмы выхода из строя литий-ионных батарей
Литий-ионные аккумуляторные батареи стали одним из наиболее перспективных достижений транспортной отрасли. На ранних электрических автомобилях в основном использовались аккумуляторы на основе никеля, имеющие значительные недостатки, которые препятствовали их широкому распространению.
Минусы подобных изделий заключались в следующем:
- Низкая плотность энергии. Это означало, что для приведения транспортных средств в движение нужны были очень большие электронакопители. Большинство никелевых источников питания были меньше и применялись на гибридных авто.
- Эффект памяти. Данный недостаток означал, что никелевые аккумы могут быстро утрачивать энергоемкость.
- Медленный процесс зарядки. Это в свою очередь делало невозможным подзарядку машин оснащенных никелевыми батареями на ходу.
Хотя Li-ion аккумуляторы улучшили большинство из этих негативных моментов, они все же демонстрируют более значительные проблемы, когда дело доходит до отказа АКБ. Выход из строя литий-ионного электронакопителя, как правило, связан с экстремальными условиями, такими как высокие и низкие температуры, перезаряд и переразряд, удар повредивший батарею.
Источники питания электромобилей состоят из многих сотен небольших отдельных элементов, установленных в различных конфигурациях. Исходя из сложности конструкции и некоторых различий между элементами, неизбежно то обстоятельство, что кое-какие элементы в блоке будут испытывать незначительную степень перезаряда или переразряда.
Обычно это регулируется системой управления батареей (BMS), которая отвечает за мониторинг и контроль баланса элементов в аккумуляторной батарее, и имеет в своем распоряжении резервные системы безопасности. Но преднамеренный перезаряд либо чрезмерный разряд в результате личного использования может поставить под угрозу «здоровье» и работоспособность электронакопителя.
Ниже мы рассмотрим некоторые возможные варианты выхода из строя литий-ионных АКБ. В приведенных далее исследованиях изучалось влияние неблагоприятных условий — высокой и низкой температур, высокого и низкого уровня заряда на элементы аккума без BMS. В электрических машинах многие из этих эффектов корректируются наличием терморегулирования и управления напряжением.
Физические изменения в батарее
В своей простейшей форме элемент батареи состоит из 3-х компонентов:
- Анод — отрицательный электрод;
- Катод — положительный электрод;
- Электролит — среда для переноса ионов.
В случае разряда Li-ion батареи ионы лития перетекают от анода к катоду через раствор электролита, заставляя электроны двигаться по внешней цепи, тем самым вырабатывая электроэнергию. Во время зарядки процесс протекает в обратном направлении, и ионы лития текут от катода к аноду.
Процесс заряда/разряда аккумулятора — это не только химический и электрический процесс, но и физический, приводящий к износу АКБ. Этот износ в значительной степени связан с микротрещинами и микроразрывами, образующимися по ходу зарядки и разрядки, а также с естественными вторичными химическими реакциями, которые происходят между компонентами аккумулятора.
В идеальных условиях износ сведен к минимуму, а вторичные реакции протекают в замедленном темпе. Однако многие факторы ускоряют вторичные реакции либо усиливают разрушительный эффект от использования электронакопителя. К примеру, зарядка батареи более высоким напряжением увеличивает силу, с которой литий попадает в анод, повышая вероятность повреждения структуры. Высокая температура повышает скорость вторичных химических реакций и может ускорить возникновение микротрещин.
Риски, связанные с зарядкой
В ряде исследований изучались физические изменения в структурах аккумуляторных батарей во время интенсивных заряда/разряда. Одним из основных результатов стало образование литиевых дендритов в процессе, называемом литиевой плакировкой (Xu 2012). Литиевые дендриты образуются, когда избыточные ионы лития накапливаются на поверхности анода во время зарядки и не успевают впитаться в анод. Данный процесс не является специфическим для литиевых аккумуляторов, он также происходит с другими металлами, такими как железо и медь.
Образование дендритов внутри батареи приводит к несоответствию электрического сопротивления между анодом и катодом, что в конечном итоге влечет за собой короткое замыкание и выход АКБ из строя (Liu 2014). Известное возгорание аккумулятора Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году стало прямым результатом роста дендритов лития, что привело к внутреннему короткому замыканию и катастрофическому выходу батареи из строя.
Помимо возможности катастрофического разрушения, дендриты вступают в реакцию с электролитом внутри аккумулятора, вызывая разложение раствора, что со временем приведет к потере активных ионов лития и снижению емкости.
Риски при разрядке
Все батареи имеют так называемый твердый интерфейс электролита (SEI), который представляет собой слой, образованный материалами аккумулятора, разрушающимися в результате вторичных реакций. Хотя «здоровые» батареи имеют базовый слой SEI, защищающий компоненты, в определенных условиях, таких как очень низкое напряжение и высокая температура, он разрастается, нанося ущерб батарее и расходуя активные материалы.
При очень низком уровне заряда напряжение батареи может упасть до уровня, который может вызвать рост SEI на электродах. В целом, падение напряжения означает потерю электроэнергии на внутреннее сопротивление. Эта потеря происходит постоянно, но при низком уровне заряда она может ускориться. При сильном падении напряжения некоторые химические компоненты АКБ могут разрушаться и вступать в реакцию с активными материалами внутри элементов.
Данные физические изменения могут привести к постепенной потере емкости аккумулятора. Согласно одному исследованию, необратимые потери емкости на 12–25% были отмечены в литиевых аккумах при чрезмерном их разряде в течение 1000 циклов (Zhang 2015).
Энергетические требования и характеристики старения батарей
По мере совершенствования электронных устройств возрастают требования к аккумуляторной системе. По сравнению с аналоговыми устройствами прошлого, которые потребляли постоянный ток, большинство современных цифровых устройств нагружают аккумулятор короткими и сильными скачками тока.
К примеру, подумайте о том, как используется электронакопитель вашего автомобиля: бывают короткие всплески потребления энергии при ускорении или подъеме на холм, но в основном обычно используется более низкая нагрузка. И, конечно, машина обычно стоит на стоянке.
При таком непостоянном потреблении тока батарея лучше всего работает с низким внутренним сопротивлением, что означает, что батарея меньше ограничена в выдаче необходимой мощности, когда это необходимо. Кроме того, высокое сопротивление может привести к неточному показанию SoC, что вызовет неточное предупреждение о разряде АКБ, поскольку батарея не сможет отдать необходимую энергию, несмотря на ее физическую доступность.
Внутреннее сопротивление аккумов зависит от SoC и температуры. Внутреннее сопротивление литий-ионных батарей наиболее высоко, когда АКБ разряжена, и асимптотически уменьшается до достижения 80–90%, после чего оно снова начинает расти.
Таким образом, производительность батареи наиболее сильно снижается при очень низких и очень высоких значениях SoC. Эта проблема еще более усугубляется температурой, которая оказывает еще большее влияние на внутреннее сопротивление. Снижение температуры с 86F до 14F, например, может увеличить внутреннее сопротивление на 30%.
Предыдущие исследования показали, что неправильные условия зарядки (низкие температуры, экстремальный перезаряд или разряд) приводят к тому, что внутреннее сопротивление в 5–7 раз превышает сопротивление полностью заряженного аккумулятора (Yuan, 2015).
Наконец, по мере старения аккумулятора внутреннее сопротивление при любых условиях увеличивается, снижая общую производительность электронакопителя.
Риски
Было проведено ограниченное количество исследований характеристик литий-ионных батарей в условиях переразряда и перезаряда, особенно в отношении теплового разгона, который часто приводит к пожару.
Одно исследование, проведенное на коммерческих литий-ионных АКБ, показало, что после воздействия неблагоприятных условий отдельные элементы батареи реагируют очень по-разному, вероятно, из-за дисбаланса, возникшего в процессе эксплуатации и производства (Larsson, 2014). Это означает, что состояние отдельных элементов становится более разнообразным, что затрудняет для BMS определение общего состояния аккумуляторной батареи. Кроме того, если в отдельном элементе случится перегрев, под угрозой может оказаться вся батарея.
Важно отметить, что перезарядка в исследованиях батарей обычно подразумевает повышение SoC выше 100%, что трудно сделать в электрокаре. Как электромобили, так и BMS, имеют в своем распоряжении дополнительные системы безопасности, включая управление зарядом и напряжением. Также имеет место полезная емкость АКБ, которая меньше общей физической энергоемкости аккумулятора.
С другой стороны, переразряд вполне достижим — для этого достаточно не прекращать эксплуатацию автомобиля. К счастью, риск возгорания при переразряде ниже, чем при перезаряде: и время воспламенения батареи, и время горения значительно больше, но интенсивность пожара слабее (Ouyang, 2018). И все же не пытайтесь это сделать!
Помимо риска возгорания, связанного с выходом аккумулятора из строя, доведение электронакопителя до 0% или 100% заряда создает значительную нагрузку на батарею. Со временем это может привести к уменьшению емкости АКБ, что снижает эффективность работы транспортного средства, уменьшает его потребительскую ценность, увеличивает вредное воздействие на окружающую среду, а в крайних случаях может повлечь за собой выход батареи из строя. Периодическая полная разрядка и полная зарядка допустимы и, как утверждают некоторые производители, это может иметь смысл. Однако следует максимально снизить их частоту, особенно в экстремальных условиях эксплуатации.
Источник: recurrentauto.com
- Самый динамичный и авангардный серийный минивэн в мире: обзор электрокара Zeekr 009 - 28 сентября, 2023
- Интервью с компанией TechMake LAB — производство литиевых батарей - 19 августа, 2023
- Каким получился электрокар у бывшего производителя электрочайников: обзор Skywell ET5 - 17 августа, 2023
