چگونه می توانید ادعای عمر باتری 10000 چرخه LiFePO4 را تأیید کنید

تولیدکنندگان باتری به طور فزاینده ای زندگی چرخه ای 6 را تبلیغ می کنند،000،8000، یا حتی 10،000 چرخه برای سلول های ذخیره سازی انرژی.تعداد چرخه های بالا در یک صفحه داده به طور خودکار به این معنی نیست که هر سلول در شرایط عملیاتی واقعی عمر مشابهی را ارائه می دهد..

چگونه تولید کنندگان می توانند مدّت عمر باتری LiFePO4 را با 10،000 چرخه تأیید کنند؟ آیا امکان پیش بینی عملکرد طولانی مدت یک سلول پس از تنها 3،000 چرخه وجود دارد؟و چه داده های آزمایش باید قبل از پذیرش یک تخمین عمر چرخه بررسی شودبرای پاسخ دادن به این سوالات، لازم است فراتر از تعداد چرخه های تبلیغ شده نگاه کنیم و شرایط آزمایش، حفظ ظرفیت، رفتار تخریب،و قابلیت اطمینان مدل پیش بینی.

باتری های لیتیوم فوسفات آهن (LiFePO4 یا LFP) به دلیل ساختار کاتود نسبتاً پایدار و پتانسیل عمر چرخه طولانی در کاربردهای ذخیره انرژی به طور گسترده ای استفاده می شوند.با طراحی الکترود مناسب، فرمول سازی الکترولیت، بهینه سازی رابط و سازگاری تولید، دستیابی به تعداد چرخه های بالا از نظر فنی امکان پذیر است.

یک سلول LFP/گرافیت را در درجه 25 درجه سانتیگراد آزمایش کنید، با یک قدرت شارژ و تخلیه ثابت 0.5P و عمق تخلیه (DOD) 100٪، با استفاده از قطع ولتاژ مشخص شده.

در اینجا، 0.5P به این معنی است که قدرت 0.5 برابر انرژی نامی در ساعت است. این نباید به طور خودکار معادل نرخ جریان 0.5C باشد، که نسبت به ظرفیت نامی تعریف شده است.نادیده گرفتن ضرر و برآورد از انرژی نامی، شارژ و تخلیه در 0.5P هر یک حدود دو ساعت طول می کشد. بنابراین یک چرخه کامل حدود چهار ساعت طول می کشد.

زمان نظری مورد نیاز برای 10،000 چرخه می تواند:

10،000 × 4 ÷ 24 ÷ 365 ≈ 4.6 سال

این فقط یک برآورد ساده است. تست واقعی به دلیل دوره های استراحت، تغییرات قدرت در پایان شارژ، اندازه گیری ظرفیت، زمان خاموش شدن تجهیزات،و تغییرات در انرژی باتری به عنوان سلول سن.

یک چرخه عمر طولانی به بیش از شیمی کاتود بستگی دارد. ثبات رابط گرافیت، فرمول الکترولیت، ساختار الکترود و سازگاری تولید همه بر تخریب تأثیر می گذارند.این عوامل می توانند واکنش های انگل و استرس محلی را کاهش دهند.، اما نمی توانند پیری را به طور کامل از بین ببرند.

نکته کلیدی:یک عمر 10،000 چرخه از نظر فنی در شرایط مناسب ممکن است، اما اینکه آیا یک سلول خاص می تواند آن را به دست آورد باید با استفاده از معیارهای آزمایش به وضوح تعریف شده و داده های پشتیبانی ارزیابی شود.

یک ادعای عمر چرخه تنها زمانی معنی دار است که شرایط آزمایش و معیارهای پایان عمر به وضوح تعریف شوند.

وضعیت سلامت (SOH) را می توان با استفاده از حفظ ظرفیت نسبت به ظرفیت اندازه گیری اولیه سلول بیان کرد.

به عنوان مثال، یک سلول که 80٪ از ظرفیت اولیه خود را پس از 10،000 چرخه حفظ می کند، همان ظرفیت باقیمانده را ندارد که 70٪ یا 60٪ را حفظ می کند.

این نتایج نباید بدون در نظر گرفتن آستانه پایان عمر مشخص شده مقایسه شوند.حفظ ظرفیت نیز با حفظ انرژی متفاوت است زیرا مقدار انرژی تحویل داده شده به مشخصات ولتاژ تخلیه بستگی دارد.

حتی زمانی که سلول ها با همان قدرت اسمی مورد آزمایش قرار می گیرند، شرایط عملیاتی مختلف می توانند نرخ های تخریب متفاوتی را تولید کنند.

• درجه حرارت:دمای بالاتر می تواند واکنش های انگل را تسریع کند، در حالی که دمای پایین می تواند قطبی شدن و خطر پوشش لیتیوم را تحت شرایط شارژ خاص افزایش دهد.

• عمق تخلیه (DOD):دوچرخه سواری در سراسر 100٪ DOD به طور کلی سلول را تحت محدوده ای متفاوت از استرس الکتروشیمیایی قرار می دهد تا دوچرخه سواری در سراسر 80٪ DOD.

• پنجره حالت شارژ (SOC):دو آزمایش با همان DOD ممکن است هنوز رفتار مختلف پیری را ایجاد کند اگر محدوده SOC آنها متفاوت باشد.

• محدودیت ولتاژ و دوره های استراحت:ولتاژ قطع مختلف، مدت زمان استراحت و روش های اندازه گیری ظرفیت می تواند بر نتایج گزارش شده تأثیر بگذارد.

• نرخ های پرداخت و تخلیه:جریان کار و مشخصات قدرت بر تولید گرما، قطبی شدن و تخریب تاثیر می گذارد.

برای مقایسه قابل اطمینان، این شرایط باید مستند و سازگار باشند.

یک تمایز مهم دیگر تفاوت بین تعداد چرخه های فیزیکی و چرخه های کامل معادل (EFC) است.

اگر یک سلول 80٪ از ظرفیت نامی اولیه خود را در طول تخلیه آزاد کند، این تخلیه تقریباً 0.8 چرخه کامل معادل زمانی که EFC از ظرفیت تخلیه تجمعی نسبت به ظرفیت نام تجاری اولیه محاسبه می شود.

در نتیجه، دو گزارش آزمایش که تعداد چرخه های یکسانی را نشان می دهند ممکن است مقادیر مختلف انرژی را نشان دهند.

در هنگام ارزیابی یک ادعای 10،000 چرخه، تولید کنندگان باید چگونگی شمارش چرخه ها، استفاده از DOD و محدودیت ظرفیت را برای پایان عمر مشخص کنند.

عملکرد خوب در طول چند هزار چرخه اول لزوماً اثبات نمی کند که یک سلول به 10،000 چرخه برسد.

تخریب باتری همیشه خطی نیست. حفظ ظرفیت ممکن است در ابتدا به تدریج کاهش یابد و سپس با تعامل مکانیسم های پیری سریعتر خراب شود.

چندین فرآیند به این رفتار کمک می کنند.

در طول چرخه، سطح اتصال الکترولیت جامد (SEI) در آنود گرافیتی همچنان در حال تکامل است. واکنش های جانبی لیتیوم و الکترولیت های چرخه ای را مصرف می کنند.کاهش تدریجی ظرفیت موجود برای شارژ و تخلیه عادی.

ترکیدن ذرات، از دست دادن تماس الکتریکی و سایر تغییرات ساختاری می تواند مانع از مشارکت موثر بخش هایی از ماده فعال در واکنش های الکتروشیمیایی شود.

با افزایش سن سلول، مقاومت رابط و قطبی سازی حمل ممکن است افزایش یابد. در زیر یک بار عملیاتی داده شده، سلول می تواند به حد ولتاژ بالا یا پایین خود زودتر برسد،کاهش ظرفیت که می تواند قبل از پایان آزمایش تحویل داده شود.

با این حال، افزایش مقاومت داخلی معادل از دست دادن همان مقدار لیتیوم چرخه ای نیست.یک ارزیابی مناسب باید از دست دادن ظرفیت مربوط به ولتاژ قطع در طول چرخه را از از دست دادن ظرفیت اندازه گیری شده تحت یک استاندارد استاندارد تشخیص دهد.، آزمون ظرفیت با نرخ پایین تر.

در حالت کار با قدرت ثابت، کاهش ولتاژ نیز می تواند باعث افزایش جریان شود، که به طور بالقوه قطبی شدن را تشدید می کند.

همانطور که تخریب تجمع می کند، تغییرات رابط، واکنش های محلی نابرابر، از دست دادن مواد فعال و پوشش لیتیوم در شرایط خاص ممکن است یکدیگر را تقویت کنند.برخی از سلول ها ممکن است سرعت قابل توجهی در ظرفیت از بین رفتن توسعه، در حالی که دیگران ممکن است تخریب زانو مشخص را نشان ندهند.

به همین دلیل نمی توان به طور خودکار نرخ فرسایش زودرس را در طول کل عمر استفاده محاسبه کرد.

آزمایش طولانی مدت زمان می برد، بنابراین تولید کنندگان اغلب از داده های آزمایش اولیه برای برآورد عملکرد آینده باتری استفاده می کنند.

با این حال، یک پیش بینی فقط به اندازه فرضیه ها، داده های تجربی و فرآیند اعتباربخشی آن قابل اعتماد است.

فرض کنید یک سلول LFP تحت شرایط 0.5P تعریف شده آزمایش می شود و 94٪ از ظرفیت اولیه خود را پس از 3000 چرخه حفظ می کند.

اگر فرض شود که کاهش ظرفیت خطی باشد، متوسط از دست دادن ظرفیت این است:

(100٪ - 94٪) ÷ 3000 = 0.002 درصد در هر چرخه

مدل ساده این است:

SOH ((N) = 100% − (6% ÷ 3,000) × N

در 10،000 چرخه، SOH پیش بینی شده خواهد بود:

SOH ((10,000) = 100٪ - 20٪ = 80٪

این محاسبه از نظر ریاضی با فرض خطی درست است. با این حال، ثابت نمی کند که سلول در واقع 80٪ ظرفیت را پس از 10،000 چرخه حفظ می کند.

اگر تخریب در مراحل بعدی تسریع شود، ظرفیت واقعی ممکن است کمتر از تخمین باشد. اگر تخریب کند شود، سلول ممکن است ظرفیت بیشتری از پیش بینی داشته باشد.

یک مدل که به خوبی با داده های آزمایش اولیه مطابقت دارد ممکن است هنوز هم عملکرد بدی داشته باشد وقتی که بسیار فراتر از محدوده اندازه گیری شده است.

یک برآورد باورنکردنی از عمر طولانی مدت نیازمند بیش از یک نتیجه اولیه چرخه یا یک منحنی ریاضی مناسب است.

تولید کنندگان باید یک روش آزمایش قابل تکرار را ایجاد کنند و داده های کافی را برای ارزیابی عملکرد متوسط و تغییرات بین سلول ها جمع آوری کنند.

عناصر مهم شامل:

1شرایط ثابت آزمایش

شیمی سلول، طراحی، ظرفیت اولیه، درجه حرارت، نرخ شارژ و تخلیه، پنجره SOC، DOD، قطع ولتاژ، دوره های استراحت و معیارهای پایان عمر را ثبت کنید.

2اندازه گیری های ظرفیت مکرر

اندازه گیری ظرفیت در فواصل مشخص در شرایط استاندارد. این کمک می کند تا تغییرات در ظرفیت قابل تحویل ناشی از قطب بندی عملیاتی را از تخریب طولانی مدت تشخیص دهد.

3ثبت داده های چرخه مداوم

ولتاژ، جریان، زمان، ظرفیت شارژ و تخلیه و سایر پارامترهای مربوطه را در طول چرخه پیگیری کنید. این داده ها به شناسایی تغییرات در سرعت تخریب و رفتار غیرمعمول کمک می کنند.

4نظارت بر مقاومت داخلی

مقاومت داخلی را با استفاده از یک روش ثابت و در شرایط دمای کنترل شده و SOC اندازه گیری کنید.اگرچه مقاومت به تنهایی نمی تواند عمر چرخه باقی مانده را تعیین کند.

5سلول های چندگانه و دسته های تولید

سلول های نماینده کافی را آزمایش کنید تا تغییرات سلول به سلول و دسته به دسته را ارزیابی کنید. یک سلول غیرمعمول خوب کافی برای یک ادعای عمر کلی محصول نیست.

6اعتباربخشی مستقل

در صورت امکان، پیش بینی را با داده های تاریخی طولانی مدت یا نمونه های جداگانه آزمایش که برای تطابق با مدل استفاده نشده است، تأیید کنید.گزارش خطاهای پیش بینی و محدوده های عدم قطعیت به جای ارائه یک ارزش تخمین زده واحد به عنوان تضمین.

7ادامه تست و به روز رسانی مدل

هرچه داده های چرخه بیشتری در دسترس باشد، نتایج واقعی را با عملکرد پیش بینی شده مقایسه کنید و در صورت لزوم مدل را به روز کنید.

تجهیزات آزمایش باتری نقش مهمی در این فرآیند ایفا می کنند. چرخه های شارژ و تخلیه قابل برنامه ریزی، شرایط آزمایش قابل تکرار، اندازه گیری دقیق،و ثبت داده های قابل اعتماد، پایه تجربی برای ارزیابی روند حفظ ظرفیت و تخریب را فراهم می کند..

به عنوان مثال، تولیدکنندگان می توانند از سیستم های تست سلول باتری مناسب برای مطالعات چرخه عمر در سطح سلول و تجهیزات آزمایش شارژ-افزایش بسته باتری برای ارزیابی بسته های گردآوری شده استفاده کنند.پیکربندی تجهیزات باید با ولتاژ سلول یا بسته مطابقت داشته باشد.در حال حاضر، ظرفیت و روش آزمایش مورد نظر.

برای آزمایش در سطح بسته، ACEY یکتجهیزات آزمایش بسته باتریپیکربندی با چرخه شارژ/افزایش قابل برنامه ریزی، اندازه گیری ظرفیت و عملکرد آزمایش پیری. مدل مناسب به مشخصات بسته و الزامات آزمایش بستگی دارد.

یک درجه بندی 10،000 چرخه باید از طریق شواهد پشتیبانی از آن ارزیابی شود، نه فقط شماره چاپ شده در یک صفحه داده.

مهم ترین سوالات این است:

• سلول تحت چه دمایی، SOC، DOD و شرایط شارژ/افزایش آزمایش شد؟

• آخر عمر را چه محدودیتی برای حفظ ظرفیت تعریف می کند؟

• آیا چرخه های گزارش شده چرخه های فیزیکی یا چرخه های کامل معادل هستند؟

• چقدر از داده های آزمایش واقعی از پیش بینی بلند مدت پشتیبانی می کند؟

• آیا پیش بینی با استفاده از نمونه های مستقل یا نتایج مربوط به دراز مدت تأیید شده است؟

• آیا تغییرات و عدم اطمینان از سلول به سلول به وضوح گزارش شده است؟

یک باتری که در طول ۳۰۰۰ چرخه اولش عملکرد خوبی داشته باشد، ممکن است توانایی رسیدن به ۱۰۰۰۰ چرخه را داشته باشد، اما عملکرد اولیه به تنهایی نمی تواند این نتیجه را تایید کند.

ارزیابی چرخه عمر قابل اعتماد ترکیبی از آزمایش استاندارد، جمع آوری داده های سازگار، مدل های تخریب مناسب و اعتبارپذیری مستقل است.سرمایه گذاری در سیستم های تست باتری مناسب کمک می کند تا شواهد مورد نیاز برای ارزیابی عملکرد بلند مدت ایجاد شود، کنترل کیفیت را بهبود بخشید و ادعای دوام باتری را دفاع کنید.