Các nhà sản xuất pin ngày càng quảng cáo tuổi thọ chu kỳ là 6.000, 8.000 hoặc thậm chí 10.000 chu kỳ cho các cell lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, số lượng chu kỳ cao trên bảng dữ liệu không có nghĩa là mọi cell sẽ mang lại tuổi thọ dịch vụ như nhau trong điều kiện hoạt động thực tế.
Các nhà sản xuất có thể xác minh tuyên bố về tuổi thọ pin LiFePO4 10.000 chu kỳ như thế nào? Có thể dự đoán hiệu suất dài hạn của cell chỉ sau 3.000 chu kỳ không? Và nên xem xét dữ liệu thử nghiệm nào trước khi chấp nhận ước tính tuổi thọ chu kỳ? Để trả lời những câu hỏi này, cần phải xem xét vượt ra ngoài số lượng chu kỳ được quảng cáo và kiểm tra các điều kiện thử nghiệm, khả năng giữ dung lượng, hành vi suy giảm và độ tin cậy của mô hình dự đoán.
Pin lithium sắt phosphate (LiFePO4 hoặc LFP) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng vì cấu trúc cathode tương đối ổn định và tiềm năng tuổi thọ chu kỳ cao. Với thiết kế điện cực phù hợp, công thức điện phân, tối ưu hóa giao diện và tính nhất quán trong sản xuất, việc đạt được số lượng chu kỳ cao là khả thi về mặt kỹ thuật.
Xem xét một cell LFP/graphite được thử nghiệm ở 25°C, với công suất sạc và xả không đổi là 0,5P và độ sâu xả (DOD) là 100%, sử dụng giới hạn điện áp quy định.
Ở đây, 0,5P có nghĩa là công suất bằng 0,5 lần năng lượng định mức mỗi giờ. Nó không nên được coi là tương đương với tốc độ dòng điện 0,5C, được xác định theo dung lượng định mức. Bỏ qua tổn thất và ước tính từ năng lượng định mức, sạc và xả ở 0,5P mỗi lần sẽ mất khoảng hai giờ. Do đó, một chu kỳ hoàn chỉnh sẽ mất khoảng bốn giờ.
Thời gian lý thuyết cần thiết cho 10.000 chu kỳ sẽ là:
10.000 × 4 ÷ 24 ÷ 365 ≈ 4,6 năm
Đây chỉ là một ước tính đơn giản hóa. Thử nghiệm thực tế mất nhiều thời gian hơn do các khoảng nghỉ, thay đổi công suất gần cuối quá trình sạc, đo dung lượng, thời gian ngừng hoạt động của thiết bị và thay đổi năng lượng pin khi cell lão hóa.
Tuổi thọ chu kỳ dài phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn là hóa học cathode. Độ ổn định giao diện graphite, công thức điện phân, cấu trúc điện cực và tính nhất quán trong sản xuất đều ảnh hưởng đến sự suy giảm. Những yếu tố này có thể làm giảm các phản ứng phụ và ứng suất cục bộ, nhưng chúng không thể loại bỏ hoàn toàn quá trình lão hóa.
Điểm mấu chốt: Tuổi thọ 10.000 chu kỳ là khả thi về mặt kỹ thuật trong các điều kiện phù hợp, nhưng liệu một cell cụ thể có đạt được điều đó hay không phải được đánh giá bằng các tiêu chí thử nghiệm và dữ liệu hỗ trợ được xác định rõ ràng.
Tuyên bố về tuổi thọ chu kỳ chỉ có ý nghĩa khi các điều kiện thử nghiệm và tiêu chí cuối vòng đời được xác định rõ ràng.
Tình trạng sức khỏe (SOH) có thể được biểu thị bằng khả năng giữ dung lượng so với dung lượng ban đầu được đo của cell.
Ví dụ, một cell giữ lại 80% dung lượng ban đầu sau 10.000 chu kỳ không có cùng dung lượng còn lại như một cell giữ lại 70% hoặc 60%.
Những kết quả này không nên được so sánh mà không xem xét ngưỡng cuối vòng đời được chỉ định. Khả năng giữ dung lượng cũng khác với khả năng giữ năng lượng vì lượng năng lượng được cung cấp phụ thuộc vào hồ sơ điện áp xả.
Ngay cả khi các cell được thử nghiệm ở cùng một công suất danh nghĩa, các điều kiện hoạt động khác nhau có thể tạo ra tốc độ suy giảm khác nhau.
Nhiệt độ: Nhiệt độ cao hơn có thể đẩy nhanh các phản ứng phụ, trong khi nhiệt độ thấp có thể làm tăng phân cực và nguy cơ mạ lithium trong một số điều kiện sạc nhất định.
Độ sâu xả (DOD): Chu kỳ trên DOD 100% thường đặt cell vào một phạm vi ứng suất điện hóa khác với chu kỳ trên DOD 80%.
Cửa sổ trạng thái sạc (SOC): Hai thử nghiệm với cùng DOD vẫn có thể tạo ra hành vi lão hóa khác nhau nếu phạm vi SOC của chúng khác nhau.
Giới hạn điện áp và thời gian nghỉ: Các giới hạn điện áp, thời lượng nghỉ và quy trình đo dung lượng khác nhau có thể ảnh hưởng đến kết quả báo cáo.
Tốc độ sạc và xả: Hồ sơ dòng điện và công suất hoạt động ảnh hưởng đến việc tạo nhiệt, phân cực và suy giảm.
Để so sánh đáng tin cậy, các điều kiện này phải được ghi lại và giữ nhất quán.
Một điểm khác biệt quan trọng khác là sự khác biệt giữa số lượng chu kỳ vật lý và chu kỳ đầy đủ tương đương (EFC).
Nếu một cell giải phóng 80% dung lượng định mức ban đầu trong quá trình xả, thì quá trình xả đó đóng góp khoảng 0,8 chu kỳ đầy đủ tương đương khi EFC được tính từ tổng thông lượng xả so với dung lượng định mức ban đầu.
Do đó, hai báo cáo thử nghiệm hiển thị cùng một số lượng chu kỳ có thể đại diện cho các lượng thông lượng năng lượng khác nhau.
Khi đánh giá tuyên bố 10.000 chu kỳ, các nhà sản xuất nên làm rõ cách đếm chu kỳ, DOD được sử dụng và ngưỡng dung lượng nào xác định điểm cuối vòng đời.
Hiệu suất tốt trong vài nghìn chu kỳ đầu tiên không nhất thiết chứng minh rằng một cell sẽ đạt 10.000 chu kỳ.
Sự suy giảm pin không phải lúc nào cũng tuyến tính. Khả năng giữ dung lượng có thể giảm dần lúc đầu và sau đó suy giảm nhanh hơn khi các cơ chế lão hóa tương tác.
Một số quy trình góp phần vào hành vi này.
Giao diện điện phân rắn (SEI) trên anot graphite tiếp tục phát triển trong quá trình chu kỳ. Các phản ứng phụ tiêu thụ lithium có thể tái tạo và điện phân, dần dần làm giảm dung lượng có sẵn cho quá trình sạc và xả thông thường.
Nứt hạt, mất tiếp xúc điện và các thay đổi cấu trúc khác có thể ngăn cản các phần của vật liệu hoạt tính tham gia hiệu quả vào các phản ứng điện hóa.
Khi cell lão hóa, trở kháng giao diện và phân cực vận chuyển có thể tăng lên. Dưới tải hoạt động nhất định, cell có thể đạt đến giới hạn điện áp trên hoặc dưới sớm hơn, làm giảm dung lượng có thể được cung cấp trước khi thử nghiệm kết thúc.
Tuy nhiên, tăng điện trở bên trong không tương đương với việc mất cùng một lượng lithium có thể tái tạo. Đánh giá đúng đắn nên phân biệt sự mất dung lượng liên quan đến giới hạn điện áp trong quá trình chu kỳ với sự mất dung lượng được đo trong một thử nghiệm dung lượng tiêu chuẩn hóa, tốc độ thấp hơn.
Trong hoạt động công suất không đổi, điện áp giảm cũng có thể làm tăng dòng điện, có khả năng làm tăng cường độ phân cực.
Khi sự suy giảm tích lũy, các thay đổi giao diện, phản ứng cục bộ không đồng đều, mất vật liệu hoạt tính và mạ lithium trong một số điều kiện nhất định có thể củng cố lẫn nhau. Một số cell có thể phát triển sự tăng tốc đáng chú ý về sự suy giảm dung lượng, trong khi những cell khác có thể không cho thấy điểm uốn suy giảm rõ rệt.
Đây là lý do tại sao tốc độ suy giảm ban đầu không thể tự động ngoại suy trong toàn bộ tuổi thọ dịch vụ.
Thử nghiệm thời gian dài tốn thời gian, vì vậy các nhà sản xuất thường sử dụng dữ liệu thử nghiệm ban đầu để ước tính hiệu suất pin trong tương lai.
Tuy nhiên, một dự đoán chỉ đáng tin cậy như các giả định, dữ liệu thực nghiệm và quy trình xác thực của nó.
Giả sử một cell LFP được thử nghiệm trong các điều kiện 0,5P đã xác định trước đó và giữ lại 94% dung lượng ban đầu sau 3.000 chu kỳ.
Nếu sự suy giảm dung lượng được giả định là tuyến tính, mức giảm dung lượng trung bình là:
(100% - 94%) ÷ 3.000 = 0,002 điểm phần trăm mỗi chu kỳ
Mô hình đơn giản hóa là:
SOH(N) = 100% - (6% ÷ 3.000) × N
Ở 10.000 chu kỳ, SOH dự đoán sẽ là:
SOH(10.000) = 100% - 20% = 80%
Tính toán này là chính xác về mặt toán học theo giả định tuyến tính. Tuy nhiên, nó không chứng minh rằng cell sẽ thực sự giữ lại 80% dung lượng sau 10.000 chu kỳ.
Nếu sự suy giảm tăng tốc ở các giai đoạn sau, dung lượng thực tế có thể thấp hơn ước tính. Nếu sự suy giảm chậm lại, cell có thể giữ lại nhiều dung lượng hơn dự đoán.
Một mô hình phù hợp tốt với dữ liệu thử nghiệm ban đầu vẫn có thể hoạt động kém khi ngoại suy xa hơn phạm vi đo lường.
Ước tính tuổi thọ dài hạn đáng tin cậy đòi hỏi nhiều hơn một kết quả chu kỳ ban đầu hoặc một đường cong toán học được điều chỉnh.
Các nhà sản xuất nên thiết lập một quy trình thử nghiệm có thể lặp lại và thu thập đủ dữ liệu để đánh giá cả hiệu suất trung bình và sự biến thiên giữa các cell.
Các yếu tố quan trọng bao gồm:
1. Điều kiện thử nghiệm nhất quán
Ghi lại hóa học cell, thiết kế, dung lượng ban đầu, nhiệt độ, tốc độ sạc và xả, cửa sổ SOC, DOD, giới hạn điện áp, thời gian nghỉ và tiêu chí cuối vòng đời.
2. Đo dung lượng lặp lại
Đo dung lượng tại các khoảng thời gian xác định trong các điều kiện tiêu chuẩn hóa. Điều này giúp phân biệt các thay đổi về dung lượng có thể cung cấp do phân cực hoạt động với sự suy giảm dài hạn.
3. Ghi dữ liệu chu kỳ liên tục
Theo dõi điện áp, dòng điện, thời gian, dung lượng sạc và xả, và các thông số liên quan khác trong suốt quá trình chu kỳ. Dữ liệu này giúp xác định các thay đổi về tốc độ suy giảm và hành vi bất thường.
4. Giám sát điện trở bên trong
Đo điện trở bên trong bằng một phương pháp nhất quán và trong điều kiện nhiệt độ và SOC được kiểm soát. Xu hướng điện trở có thể cung cấp thông tin bổ sung về lão hóa, mặc dù bản thân điện trở không thể xác định tuổi thọ chu kỳ còn lại.
5. Nhiều cell và lô sản xuất
Thử nghiệm đủ số lượng cell đại diện để đánh giá sự biến thiên giữa các cell và giữa các lô. Một cell tốt bất thường duy nhất không đủ bằng chứng cho tuyên bố tuổi thọ sản phẩm chung.
6. Xác thực độc lập
Bất cứ khi nào có thể, hãy xác thực dự đoán so với dữ liệu lịch sử dài hạn hoặc các mẫu thử nghiệm riêng biệt không được sử dụng để điều chỉnh mô hình. Báo cáo lỗi dự đoán và phạm vi không chắc chắn thay vì trình bày một giá trị ước tính duy nhất như một sự đảm bảo.
7. Tiếp tục thử nghiệm và cập nhật mô hình
Khi có nhiều dữ liệu chu kỳ hơn, hãy so sánh kết quả thực tế với hiệu suất dự đoán và cập nhật mô hình khi cần thiết.
Thiết bị thử nghiệm pin đóng vai trò quan trọng trong quy trình này. Chu kỳ sạc và xả có thể lập trình, điều kiện thử nghiệm có thể lặp lại, phép đo chính xác và ghi dữ liệu đáng tin cậy cung cấp nền tảng thực nghiệm để đánh giá khả năng giữ dung lượng và xu hướng suy giảm.
Ví dụ, các nhà sản xuất có thể sử dụng hệ thống thử nghiệm cell pin phù hợp cho các nghiên cứu tuổi thọ chu kỳ ở cấp độ cell và thiết bị thử nghiệm sạc-xả gói pin để đánh giá các gói đã lắp ráp. Cấu hình thiết bị phải phù hợp với điện áp, dòng điện, dung lượng của cell hoặc gói và quy trình thử nghiệm dự kiến.
Đối với thử nghiệm cấp độ gói, ACEY cung cấp cấu hìnhThiết bị thử nghiệm gói pinvới chức năng chu kỳ sạc/xả có thể lập trình, đo dung lượng và thử nghiệm lão hóa. Mô hình phù hợp phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của gói và yêu cầu thử nghiệm.
Xếp hạng 10.000 chu kỳ nên được đánh giá thông qua bằng chứng hỗ trợ nó, không chỉ đơn giản là con số được in trên bảng dữ liệu.
Các câu hỏi quan trọng nhất là:
Trong điều kiện nhiệt độ, SOC, DOD và sạc/xả nào đã thử nghiệm cell?
Ngưỡng giữ dung lượng nào xác định điểm cuối vòng đời?
Các chu kỳ được báo cáo là chu kỳ vật lý hay chu kỳ đầy đủ tương đương?
Bao nhiêu dữ liệu thử nghiệm thực tế hỗ trợ dự đoán dài hạn?
Dự đoán đã được xác thực bằng các mẫu độc lập hoặc kết quả dài hạn có liên quan chưa?
Sự biến thiên giữa các cell và sự không chắc chắn có được báo cáo rõ ràng không?
Một pin hoạt động tốt trong 3.000 chu kỳ đầu tiên có thể có tiềm năng đạt 10.000 chu kỳ, nhưng hiệu suất ban đầu một mình không thể xác nhận kết quả đó.
Đánh giá tuổi thọ chu kỳ đáng tin cậy kết hợp thử nghiệm tiêu chuẩn hóa, thu thập dữ liệu nhất quán, mô hình suy giảm phù hợp và xác thực độc lập. Đối với các nhà sản xuất pin, đầu tư vào các hệ thống thử nghiệm pin phù hợp giúp thiết lập bằng chứng cần thiết để đánh giá hiệu suất dài hạn, cải thiện kiểm soát chất lượng và đưa ra các tuyên bố về tuổi thọ pin có thể bảo vệ được hơn.
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
हिन्दी
Türkçe
indonesia
tiếng Việt
ไทย
বাংলা
فارسی
polski