Долговечность литий-ионных батарей стала актуальной с распространением электромобилей. Срок службы 2-3 года при 500 циклах полной зарядки приемлем для мобильного телефона, но не для транспортного средства, которым пользуются 10 лет и дольше. Кроме того, мощный литиевый аккумулятор для электромобиля стоит не пару тысяч рублей, а как новый компактный автомобиль. Если бы аккумуляторная батарея служила лет 20, то первоначальные вложения в электротранспорт стали бы выгоднее.
Сегодня производители электрических транспортных средств тщательно подбирают химический состав аккумуляторных элементов, чтобы добиться максимального срока службы. Большая энергоемкость часто приноситься в жертву долговечности, что сказывается на дальности пробега или автономности работы. Перед производителями ставится задача продлить жизнь литиевых батарей, имеющих значительную энергетическую плотность.
Естественная смерть литиевых аккумуляторов наступает из-за износа главных компонентов ячеек: анодов, катодов, электролита. Давайте посмотрим, почему так происходит.
Что вызывает деградацию элементов Li—Ion батарей
Исследователи нашли четырех главных виновников потери емкости и износа элементов:
- Образование на аноде пленки межфазы твердого электролита (SEI), которая препятствует взаимодействию жидкого электролита с графитом.
- Окисление электролита на катоде, которое вызвать внезапную потерю емкости. Этому явлению способствует высокое напряжение, перегрев элементов.
- Осаждение лития на поверхности анода из-за большой скорости зарядки. Замечено, что если увлекаться быстрой зарядкой, то емкость литиевого аккумулятор снижается значительно быстрее.
- Механическая деградация электродов, потеря давления в ячейках пакетного типа. Эту проблему решают правильные добавки в электролит и продуманная конструкция элементов.
При чем здесь кулоновская эффективность?
Кулоновская эффективность (КЭ) помогает оценить продолжительность жизни аккумулятора. Она показывает отношение отданных ампер-часов (разрядной емкости) к ампер-часам, полученным от зарядного устройства (зарядной емкости). В вечном литиевом аккумуляторе она составила бы 1 (единицу) или 100%. Некоторые литий-кобальт-оксидные батареи достигают КЭ 0,9999. Наилучшие же результаты показывают литий-титанатные батареи, они способны выдерживать до 10 000 циклов полной зарядки.
Показатели кулоновской эффективности зависят от температуры, скорости заряда. При длительном времени цикла происходит саморазряд, поэтому КЭ снижается. Окисление электролита на катоде также вызывает саморазряд и падение КЭ.
В таблице ниже оценивается кулоновская эффективность Li—Ion аккумуляторов с разным химическим составом при температуре 30°C.
|
Тип аккумулятора по химсоставу |
Материал |
Кулоновская эффективность |
Примечания |
| Литий-кобальт оксидный (LCO) |
LiCoO2 |
Хорошая, небольшое снижение при 50-60°C | Высокая емкость, ограниченная мощность, хрупкость. Используются в мобильных устройствах. |
| Литий-марганец-оксидный (LMO) |
LiMn2O4 |
Плохая, при 40°C снижается еще больше | Высокая емкость и мощность, стойкость к неправильной эксплуатации.
Электромобили, вилочные погрузчики, электроинструменты, средства персональной мобильности, медицинское и промышленное оборудование, ИБП |
| Литий-железо-фосфатный (LFP) |
LiFePO4 |
Умеренная, снижается при 50-60°C | |
| Литий-никель, магний, кобальт-оксидные (NMC) |
LiNiMnCoO2 (10–20% Co) |
Хорошая, незначительное снижение при 60°C | |
| Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (NCA) |
LiNiCoAlO2 |
Нет данных | Высокая удельная энергоемкость, мощность, большое количество циклов.
Сетевое хранение данных, электромобили |
| Литий-титанатный (LTO) |
Li4Ti5O12 |
Отличная | Очень прочные, но дорогие, с низкой удельной энергоемкостью |
Примечание: аккумуляторы LFP показывают высокую надежность при циклических испытаниях в лаборатории, но имеют невысокие показатели кулоновской эффективности при температуре выше 50°C.
Итоги
С каждым новым поколением литий-ионных батарей срок их жизни увеличивается. Это происходит благодаря добавкам в электролит, точные составы которых производители держат в секрете. Добавки снижают коррозию и связанное с ней внутреннее сопротивление, уменьшают газообразование, улучшают стойкость к низким и высоким температурам. Например, добавление 1-2 процентов винилкарбоната снижает образование SEI на аноде и окисление электролита на катоде, повышает показатели кулоновской эффективности.