Lityum iyon pillerin zamanla kapasite azalması nedir?

Yüksek performanslı bir elektrikli scooter, şebekeden bağımsız kabininiz için sağlam bir enerji depolama sistemi veya çok fazla enerji tüketen bir endüstriyel ekipman satın aldıysanız, muhtemelen onu çalışır durumda tutmak için lityum iyon pillere güvenmişsinizdir. Uzun yıllara dayanan deneyime sahip bir tedarikçi olarakLityum İyon Pil 60v 30ah,80v Lityum Pilve diğer özel modeller, kaç müşterinin benzer bir soruyla konuşmaya başladığını sayamadım: "Pilim neden ilk satın aldığımdan daha az şarj tutuyor?" Bu sinir bozucu, evrensel bir sorundur ve kökleri lityum iyon pillerin nasıl çalıştığına ve bunları zaman içinde nasıl kullandığımıza ilişkin temel kimyaya dayanmaktadır.

Pilin elektrik enerjisini depolama ve iletme yeteneğinin yavaş yavaş kaybı olan kapasite kaybı, lityum iyon teknolojisine özgü bir kusur değildir ancak tutarlı performans için bu pillere güvenen herkes için kritik bir faktördür. Aniden bozulma eğiliminde olan kurşun-asit akülerin aksine, lityum iyon piller yavaş yavaş bozulur, bu nedenle ilk başta kapasitedeki yavaş düşüşü fark etmeyebilirsiniz; ta ki elektrikli motosikletiniz şarjla 30 kilometre yerine yalnızca 20 mil yol kat edene veya yedek güç sisteminiz bir yıl öncesinin yarısı kadar çalışana kadar. Bu bozulmaya neyin sebep olduğunu anlamak bir tedarikçi olarak bizim için yalnızca akademik bir konu değil; müşterilerimizi pillerinin ömrünü nasıl en üst düzeye çıkarabilecekleri konusunda eğitmemize yardımcı olur ve kompakt modellerden başlayarak sunduğumuz modelleri nasıl tasarladığımızı ve test ettiğimizi şekillendirir.8 Ah Lityum İyon Pilağır hizmet tipine kadar taşınabilir elektrikli aletler için300ah Lityum İyon Pilızgara ölçeğinde depolama için.

Kapasite kaybının kökenine inmek için lityum iyon pilin özünde nasıl çalıştığıyla başlayalım. Her lityum iyon pilin içinde iki elektrot vardır: pozitif katot (genellikle lityum kobalt oksit veya lityum demir fosfat gibi lityum metal oksitten yapılır) ve en yaygın olarak grafitten yapılan negatif anot. Bu elektrotlar, lityum iyonlarının iki taraf arasında ileri geri hareket etmesini sağlayan sıvı veya jel elektrolite batırılmış ince gözenekli bir zarla ayrılır. Pili şarj ettiğinizde, lityum iyonları katodu terk eder, elektrolit ve membrandan geçerek grafit anodun içine yerleşir. Deşarj ettiğinizde süreç tersine döner: Lityum iyonları katoda geri döner ve cihazınıza güç sağlayan enerjiyi serbest bırakır.

İyonların bu dansı kulağa basit geliyor, ancak yüzlerce şarj ve deşarj döngüsünden sonra pilin içinde onu yavaşlatan ve depolanabilecek şarj miktarını azaltan küçük, kümülatif değişiklikler meydana gelir. Bu değişiklikler birkaç temel kategoriye ayrılır ve genellikle pili nasıl kullandığınız ve bakımını nasıl yaptığınızdan etkilenirler. Tedarik ettiğimiz pillere bağlı örneklerle bunları tek tek parçalayalım.

Birincisi, bozulmanın en yaygın nedeni katı-elektrolit ara fazının veya kısaca SEI'nin oluşmasıdır. Bir lityum iyon pil ilk kez şarj edildiğinde, anot yüzeyindeki az miktardaki elektrolit parçalanır ve grafit parçacıklarını kaplayan ince, katı bir tabaka oluşturur. SEI kritik öneme sahiptir: iyon geçirgendir, dolayısıyla lityum iyonlarının anoda geçmesine izin verir, ancak elektrolit ile anot arasında pile zarar verebilecek başka istenmeyen reaksiyonları da önler. Sorun şu ki, bu katman statik değil. Pil her şarj edildiğinde ve boşaltıldığında, elektrotlar arasında serbestçe hareket etmek yerine küçük bir miktar lityum SEI katmanında sıkışıp kalıyor. Zamanla bu hapsolmuş lityum birikerek cihazınıza güç sağlamak için daha az kullanılabilir hale gelir. Küçük bir şey için24v20ah Lityum İyon PilBir çim biçme traktörü için bu, 500 tam çevrimden sonra kapasitede %10'luk bir düşüş görebileceğiniz anlamına gelir; bu, çim biçme makinesinin tamamlamaya ihtiyaç duymadan önce bahçenin yalnızca yarısını kesebildiği birçok müşterinin fark ettiği bir durumdur.

İkinci büyük faktör katot bozulmasıdır. Katot, pilin çalışmasını sağlayan lityum iyonlarının kaynağıdır ve anot kadar aşınmaya eğilimlidir. Döngüler boyunca katodu oluşturan küçük parçacıklar çatlayabilir veya parçalanabilir. Neden? Katoda giren ve çıkan lityum iyonları, malzemenin her şarjla birlikte hafifçe genleşip büzülmesine neden olur. Binlerce döngüden sonra tekrarlanan genişleme ve daralma katodun yapısını zayıflatarak parçacıkların bölünmesine neden olur. Bu olduğunda, lityumun bir kısmına artık erişilemez; kırılan parçacıkların içinde sıkışıp kalır ve şarj sırasında anoda gidemez. Bizim gibi yüksek voltajlı piller için80v Lityum PilAğır inşaat ekipmanlarına güç sağlayan bu tür bozulmalar, yüksek gerilim ve yüksek akım yükleriyle hızlanır. Operatörler genellikle bu pilleri uzun süre boyunca neredeyse tam kapasitede çalıştırır, bu da katodun aşınmasını hızlandırır; dolayısıyla bir inşaat şirketi yalnızca 300 döngüden sonra %15'lik bir kapasite düşüşü fark etmeye başlayabilirken, eğlence amaçlı bir pil bu hedefe ulaşmadan önce 500 döngü dayanabilir.

Bir diğer yaygın suçlu ise lityum kaplamadır. Bu, özellikle soğuk havalarda pillerin çok hızlı şarj edilmesiyle ortaya çıkan bir sorundur. Normal şarj koşulları altında lityum iyonları katottan anoda doğru hareket eder ve kendilerini grafit yapısına gömerler. Ancak pili iyonların hareket edebileceğinden daha hızlı şarj ederseniz veya pil çok soğuksa iyonların gömülmesi zorlaşır. Bunun yerine anot yüzeyinde küçük, metalik lityum birikintileri oluştururlar. Zamanla bu birikintiler, anot ile katot arasındaki ayırıcıyı delerek kısa devreye neden olan dendrit adı verilen iğne benzeri yapılara dönüşebilir. Ancak daha küçük lityum kaplama bile yalnızca güvenlik risklerine neden olmuyor; mevcut lityumu çekip kalıcı kapasite kaybına yol açıyor. Ürünlerimizi kullanan müşterilerimiz içinLityum İyon Pil 60v 30ahElektrikli bisikletler için, eğer bisikletlerini kışın sıcaklığı 30°F veya altına düşen bir garajda şarj ediyorlarsa bu sık karşılaşılan bir sorundur. Eskiden 2 saatte tamamen şarj olan pillerinin artık 4 saatte şarj olduğunu ve şarjının yalnızca %80'ini tuttuğunu söyleyen çok sayıda müşterim oldu; bu pil, soğuk hızlı şarjdan elde edilen lityum kaplamaya dayanıyor.

Dış faktörler de pilin ne kadar hızlı bozulacağı konusunda büyük rol oynar ve bunlar genellikle kullanıcının kontrolü altındadır. Sıcaklık en büyüğüdür. Lityum iyon piller, 20°C ila 25°C (68°F ila 77°F) arası, ılık, oda sıcaklığındaki ortamlarda en verimlidir. Pil çok ısınırsa (örneğin, tüm yaz boyunca doğrudan güneş ışığına park edilmiş kapalı bir arabada oturmak veya saatlerce sıcak çalışan bir cihaza güç vermek için kullanmak gibi) içindeki kimyasal reaksiyonlar önemli ölçüde hızlanır, SEI oluşumunu, katot aşınmasını ve lityum kaplamayı hızlandırır. Öte yandan, pili aşırı soğukta, kullanılmadan uzun süre bırakmak da ona zarar verebilir. Karavanları veya tekneleri için yedek aküsü olan müşterilere, aylarca tam şarjlı veya tamamen boş halde bekletmek yerine, bunları her zaman yaklaşık %50 şarjla, serin ve kuru bir yerde saklamalarını tavsiye ederim. Tamamen boşalmış bir pil, anot korozyonuna maruz kalabilirken, tam olarak şarj edilmiş bir pil, ısı durumunda, yarı şarjlı bir pilden çok daha hızlı bozulur.

Deşarj derinliği (DoD) başka bir önemli faktördür. Deşarj derinliği, pili yeniden şarj etmeden önce toplam kapasitesinin ne kadarını kullandığınızı ifade eder. Örneğin, eğer300ah Lityum İyon Pilbir güneş enerjisi depolama sistemine güç sağlamak için kullanılır ve günde yalnızca 150ah kullanırsınız, bu %50 Savunma Bakanlığı demektir. Eğer bunu 30ah'a indirirseniz, bu %90 Savunma Bakanlığı demektir. Temel kural şudur: Pilinizi ne kadar derin boşaltırsanız, o kadar hızlı bozulur. Bir pili %100 doludan boş duruma her çevirdiğinizde, anot ve katot üzerinde sığ bir deşarjdan daha fazla stres yaratırsınız. Pillerini tıbbi cihazlar veya yedek güç gibi güvenilirliğin tartışmasız olduğu uygulamalar için kullanan müşteriler için bu, enerji kullanımlarını mümkün olduğunca derin deşarjlardan kaçınacak şekilde planlamak anlamına gelir. Pillerimizi bunu göz önünde bulundurarak, aşırı deşarjı önleyen koruma devreleri oluşturarak tasarlıyoruz, ancak yine de pil ömrünü uzatmak için kullanım şekillerini ayarlamalarına yardımcı olmak üzere müşterilerimizle yakın işbirliği içinde çalışıyoruz.

Döngü sayısı anlaşılması daha basit bir ölçümdür ve genellikle pil veri sayfalarında pilin ömrü olarak listelenir. Bir döngü, bir tam deşarj ve yeniden şarj olarak sayılır; ancak bir döngünün yalnızca pili %100'den %0'a boşaltmadığını unutmamak önemlidir. Örneğin, %50'lik iki deşarj (her seferinde pil kapasitesinin %50'sini kullanan) da bir tam döngüye eklenir. Çoğu lityum iyon pil, kimyasına ve nasıl kullanıldıklarına bağlı olarak, 500 ila 1.500 tam döngüden sonra orijinal kapasitelerinin yaklaşık %80'ini koruyacaktır. Sabit depolama modellerimizin çoğunda kullandığımız lityum demir fosfat (LFP) piller, elektrikli araçlarda ve taşınabilir güç uygulamalarında yaygın olan nikel-kobalt-alüminyum (NCA) veya nikel-manganez-kobalt (NMC) kimyalarına göre daha uzun (genellikle 2.000 döngü veya daha fazla) dayanır. Bizim8 Ah Lityum İyon PilÖrneğin elektrikli aletler için, kısa süreler boyunca yüksek akım kayıplarını idare etmek üzere tasarlanmış bir NMC kimyası kullanılır ve 800 döngü ile %80 kapasiteye kadar derecelendirilmiştir.

Bozulmanın kademeli olduğunu ve tüm kapasite kayıplarının kalıcı olmadığını belirtmekte fayda var. Bazen, bozulmuş bir pil gibi görünen şey, doğru şekilde kullanılmıyor demektir. Örneğin, aylardır kullanılmadan bekleyen bir pilin kendi kendine deşarj olması nedeniyle kapasitesi geçici olarak düşebilir. Lityum iyon piller ayda yaklaşık %2-3 oranında kendi kendine deşarj olur, ancak tamamen boşalmış halde depolanırlarsa, bu kendi kendine deşarj anot korozyonuna, yani kalıcı bir kayba yol açabilir. Depolamadan sonra hızlı ve tam şarj, bazen bu geçici kapasite düşüşünü telafi edebilir.

Bir pil tedarikçisi olarak görevimiz size yalnızca pil satmak değil; pilin mümkün olduğu kadar uzun süre iyi çalışmasını sağlamaktır. Kompakt modellerden modellerimizi test etmek için yıllarımızı harcadık.24v20ah Lityum İyon Pilgolf arabaları için yüksek güceLityum İyon Pil 60v 30ahelektrikli motosikletler için farklı kullanım şekillerinin bozulmayı nasıl etkilediğini anlamak. Her gönderiye, müşterilere ideal şarj sıcaklıkları, önerilen DoD seviyeleri ve saklama ipuçları konusunda tavsiyelerde bulunan ayrıntılı bakım kılavuzları ekliyoruz. İnşaat şirketleri veya güneş enerjisi kurulumcuları gibi daha büyük akü filosuna sahip müşterilerimiz için, bozulmayı en aza indiren, uzun vadeli bakım ve değiştirme maliyetlerini azaltan şarj altyapısı kurmalarına yardımcı olacak özel destek sunuyoruz.

Günün sonunda kapasite düşüşü lityum iyon teknolojisinin bir başarısızlığı değildir; bu pillerin çalışmasının doğal bir parçasıdır ve bunu anlamak yatırımınızdan en iyi şekilde yararlanmanın ilk adımıdır. İster tek bir elektrikli bisiklete sahip bir hobi sahibi olun, ister malzeme taşıma ekipmanı filosunu yöneten bir işletme sahibi olun, ister konut güneş enerjisi sistemi kuran bir kurulumcu olun, pilinizin kapasitesinin düşmesine neyin sebep olduğunu bilmek, pilinizin ömrünü uzatmak için alışkanlıklarınızı ayarlamanıza yardımcı olur. Özel uygulamanıza göre tasarlanmış güvenilir bir lityum iyon pil pazarındaysanız ve ömrünü nasıl maksimuma çıkaracağınız hakkında daha fazla bilgi edinmek istiyorsanız, ihtiyaçlarınızı tartışmak için bugün ekibimizle iletişime geçin.

Referanslar:

1. Scrosati, B. ve Garche, J. (2010). Lityum piller: Durum, beklentiler ve gelecek. Güç Kaynakları Dergisi, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... ve Winter, M. (2005). Lityum iyon pillerdeki yaşlanma mekanizmaları. Güç Kaynakları Dergisi, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V. ve Chen, Z. (2019). Lityum-iyon pil bozulma mekanizmalarının ve sağlık durumu tahmin yöntemlerinin gözden geçirilmesi. Enerjiler, 12(10), 1905.
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G. ve Johnson, C. (2001). Yüksek güçlü lityum iyon hücrelerin diferansiyel voltaj analizleri. 1. Teknik ve uygulama. Güç Kaynakları Dergisi, 101(2), 238-245.