Термін служби акумулятора залежить від різних факторів, тому для точної оцінки тривалості служби пристрою недостатньо лише підрахунку циклів або реєстрації віку.
Незважаючи на велику різноманітність акумуляторів, кожен тип елемента та підвид пристрою деградують індивідуально. На деградацію впливають умови експлуатації та деякі інші фактори. Одні елементи добре працюють за низьких температур, інші - при високих струмах. Проте така спеціалізація має власну ціну.
Старіння акумулятора залежить або від часу (календарного старіння), або від умов експлуатації, при цьому зарядка та розрядка є "циклічним" старінням.
Обидві форми старіння сприяють зниженню ємності та ефективності, а також збільшують внутрішній опір, оскільки іони "застрягають" у небажаних побічних реакціях. Ці реакції відбуваються під впливом різних чинників. Як правило, іони взаємодіють з іншими матеріалами, утворюючи пасивні залишки, що перешкоджає передачі енергії.
До загальних факторів, вплив яких залежить від типу елемента, відносяться температура елементів, стан заряду (SOC) та сила струму, що використовується під час заряджання та розрядження. Щодо стану заряду (кількості заряду або енергії), SOC у режимі очікування має значення, коли пристрій не використовується, а вікно SOC (діапазон, в якому відбувається циклізація) має значення, коли він працює в циклічному режимі.
Механічні навантаження, такі як вібрація та тиск, є ще одним фактором, що впливає на деградацію акумулятора, але зосередимося на трьох вищезгаданих факторах.
Температура
Температура відіграє ключову роль у терміні служби акумуляторів. Більшість хімічних елементів добре зберігається при температурі нижче 20 °C, це уповільнює календарне старіння та знижує ймовірність побічних реакцій. Простий за більш високих температур значно збільшує швидкість деградації. І навпаки, більшість акумуляторних технологій дуже чутливі до роботи за низьких температур. Температура від 30 до 40 ° C також оптимальна. Більшість хімічних елементів ідеальної температурою є 15-25 З.
Нові нікель-марганець-кобальтові (NMC) батареї дуже чутливі чутливі до зарядки при низькій температурі, тому при зарядці при температурі нижче 10 C можуть виникнути небезпечні дефекти. На графіці зліва, де показані три високоякісні елементи NMC одного типу, швидкість деградації трохи покращується при зниженні робочої температури на 10 C, з 25 C (помаранчева лінія) до 15 C (фіолетова лінія). Однак зниження температури на 10 C (синя лінія) призведе до негайного руйнування батареї.
Літієве осадження
Літій-іонні (літій-іонні) акумулятори в цілому безпечні, але за певних умов - при низьких температурах, високому струмі або вже добре заповненому електроді - в них відбувається літієве осадження. Наведений приклад демонструє вплив гальванічного покриття за низької температури. Осадження - це залишкові процеси, що виникають при утворенні іонами літію металевих відкладень усередині елементів. Згодом відкладення накопичуються, що в кінцевому підсумку може призвести до внутрішнього короткого замикання, яке може спровокувати спалах - швидке та небезпечне виділення тепла та газів.
Важливо, що умови, що сприяють утворенню металевих відкладень, лише частково контролюються системою керування акумулятором (BMS), тому оператори повинні контролювати та регулярно обслуговувати свої пристрої.
SOC (Стан заряду)
Стан заряду істотно впливає на термін служби акумулятора. Має значення як SOC у режимі простою (календарне старіння), і діапазон SOC під час роботи (циклічне старіння). У наступному прикладі показано два ідентичні елементи NMC.
На наведеному нижче графіку показано динаміку деградації двох практично ідентичних випадків використання високоякісних елементів NMC.
Обидва використовують лише близько 50% заряду батареї, причому перший (синя лінія) працює у верхній половині SOC, починаючи з повного заряду і знижуючись до 50%, після чого знову повністю заряджається. Другий варіант використання (помаранчева лінія) починається з 50% заряду та закінчується практично повним розрядом. Як видно з графіків, вплив на деградацію неймовірний: помаранчева батарея проживе вдвічі-втричі довше, ніж синя, що дозволить знизити загальну вартість більш ніж у два рази.
Однак слід підкреслити, що це приклад конкретного типу елементів, інші пристрої можуть працювати зовсім інакше. Як правило, якщо SOC не перевищує 90% і не опускається нижче 10%, це продовжує термін служби пристрою, але бувають і винятки.
Рівні стресу
Оцінка стресу може бути складною навіть для експертів, на неї можуть впливати зміни температури, діапазони SOC та профіль C-rate – швидкості розряду пристрою щодо максимальної ємності. Такі чинники складно взаємодіють з матрицею сприйнятливості типів осередків. Рівень стресу - це одиничне число, що б ступінь стресогенності профілю використання батареї проти еталонним випадком.
Рівень стресу 1,0 означає, що використання відповідає приблизно запланованому; а 2,0 - що пристрій буде розряджатися вдвічі швидше, ніж очікувалося. Такі інструменти, як діагностика батарей, автоматично аналізують рівень стресу, допомагаючи оцінити ризики та оптимізувати профілі використання.
BMS (Системи керування батареєю)
Продовжуються суперечки про те, чи повинні BMS контролювати фактори, що впливають на працездатність батареї. BMS можуть запобігти особливо шкідливому та небезпечному використанню, але, як правило, не дають рекомендацій щодо оптимізації рівня навантаження.
Батареї майбутнього
Глобальний тренд на збільшення щільності енергії акумуляторів для досягнення тривалості роботи часто досягається за рахунок скорочення терміну служби пристрою. В останні роки термін служби батарей та запас безпеки у середньому зменшилися. Це означає, що при експлуатації найбільш дорогого компонента, що деградує, енергетичного переходу необхідно дотримуватися особливої обережності. Сприйнятливість всіх типів літій-іонних елементів до факторів впливу має змусити звернути увагу на невикористаний потенціал оптимізації у багатьох випадках використання батарей.
Важливість моніторингу
Враховуючи складність стрес-факторів та варіантів використання акумулятора, про які говорилося вище, тільки підрахунок циклів або реєстрація віку не дає чіткого уявлення про деградацію пристрою. Очевидно, що необхідний регулярний контроль ємності та стану акумулятора, а невеликі коригування профілів використання можуть значно знизити навантаження та продовжити термін експлуатації на 10-50% і більше.