Šta je ciklus pražnjenja?

Imali su poziv prošlog utorka sa startupom koji radi svoj prvi ručni uređaj. PM me pita koliko puta njihovi korisnici mogu napuniti bateriju. Rekao sam da zavisi. Htio je broj. Rekao sam mu 500, možda, pod savršenim uslovima koji nikada neće postojati na terenu.

To je problem sa ciklusima pražnjenja. Koncept je krajnje jednostavan, ali primjena na stvarne proizvode brzo postaje komplikovana.

Vaša baterija ne broji priključke-. Broji propusnost kapaciteta. Ispraznite 100% kapaciteta na natpisnoj pločici i to je jedan ciklus. Učinite to jednim potezom ili rasporedite na sedmicu djelomičnih pražnjenja - isti rezultat.

18650 koji trenutno sjedi u vašoj baterijskoj lampi može biti na ciklusu 47 ili ciklusu 212. Osim ako niste religiozno pratili -sate, nemate pojma. Ćelija sigurno ne zna. Unutra nema tezge. Vaš BMS to procjenjuje na osnovu brojanja kulona i pomaka brojanja kulona. Razdvojio sam pakete gdje je prijavljeni broj ciklusa manji za 30% u poređenju sa stvarnim starenjem kalendara.

Samsung SDI objavio je neke podatke još 2019. koji pokazuju da njihove 21700 ćelije postižu 83% zadržavanja kapaciteta u ciklusu 300 prema njihovom standardnom protokolu testiranja. Panasonic NCR ćelije iz iste ere bile su više kao 78% u 300 ciklusa. Ovi brojevi su došli iz klimatskih komora na 23 stepena sa CC-CV punjenjem na 0.5C i pražnjenjem na 1C do 2.5V prekida. Vaša kilometraža će varirati jer vaš slučaj upotrebe nije klimatska komora.

Svi u ovoj industriji govore o dubini pražnjenja kao da je to neka magična poluga. Plitki ciklusi produžavaju život, duboki ciklusi brže ubijaju ćelije. Istina je. Ali veza nije ono što većina ljudi očekuje.

Vodio sam sporedni projekat 2021. pokušavajući to kvantificirati za kupca medicinskog uređaja. Uzeli smo 200 ćelija iz iste proizvodne serije, podijelili ih u grupe i ciklirali ih na različitim nivoima DoD osam mjeseci. Grupa sa 100% DoD kraterirala je oko ciklusa 380. Grupa sa 60% DoD je još uvijek bila na 88% kapaciteta što je ekvivalentno 900 punih ciklusa. Grupa DoD sa 30% jedva je pokazala bilo kakvu degradaciju nakon godinu dana.

Ali evo šta vam podaci neće reći. Kalendarsko starenje je jelo u svim grupama otprilike istom brzinom, bez obzira na vožnju biciklom. Do desetog mjeseca, čak i ćelije koje smo jedva dotakli izgubile su 4-5% kapaciteta samo sjedeći na 50% napunjenosti u prostoriji od 25 stepeni. Ćelije koje su bile snažno ciklirane bile su pogođene iz oba smjera - ciklusno starenje plus kalendarsko starenje naslagano jedna na drugu.

Dakle, kada vaš kupac pita zašto njihov uređaj star dvije-godine-ne traje toliko dugo iako su ga "jedva koristili" -, to je razlog zašto.

Discharge Cycle

Imam kutiju ćelija u svojoj garaži od baterije za kolica za golf koja je provela tri ljeta u šupi u Tucsonu. Vlasnik se zakleo da je koristio kolica samo dva puta mjesečno. Pakovanje je ocijenjeno za 2000 ciklusa. Umro je na 160. Ćelije su spolja izgledale dobro. Jedna je napukla i žele rolna je imala smeđe mrlje na separatoru. Elektrolit se djelimično razgradio.

Toplota ubija litijumske ćelije. Ne brzo kao mrtav kratki. Polako, kao da ostavljate puter na pultu.

Arrhenius odnos vam daje otprilike 2x stopu degradacije za svakih 10 stepeni iznad 25 stepeni. Ali to je prosjek svih hemija. NMC ćelije koje sam testirao otpale su brže. LFP se bolje držao. Torbične ćelije koje koristimo za nosive uređaje su osjetljivije od cilindričnih ćelija s istom hemijom jer je termička masa niža i pod opterećenjem su toplije.

Hladno pražnjenje je neugodno, ali ne i destruktivno. Privremeno gubite kapacitet. Vraća se kada se ćelija zagreje. Ispraznio sam ćelije na -15 stepeni što je dalo samo 61% nazivnog kapaciteta, zatim sam ih pustio da se zagriju na sobnu temperaturu i dobio punih 3,2 Ah pri sljedećem pražnjenju. Hladno punjenje je ubica - litijumska obrada na anodi. Ta šteta je trajna. Većina BMS-a blokira punjenje ispod 0 stepeni upravo iz tog razloga.

Svako pražnjenje pomiče ione litijuma od grafitne anode do katode. Svako punjenje ih gura nazad. Uradite ovo dovoljno puta i stvari će početi da se kvare.

SEI sloj na anodi se deblja. Taj sloj bi trebao biti tamo - i štiti grafit od elektrolita. Ali raste sa svakim ciklusom, a rast znači da troši litij koji bi inače mogao skladištiti energiju. Zbog toga kapacitet blijedi čak i kada se ništa dramatično ne dogodi.

Čestice katode pucaju. NMC i NCA katode imaju kristalnu strukturu koja se širi i skuplja kako litij ulazi i izlazi. Nastaju mikro{2}}pukotine. Povećava se površina. Nuspojave se ubrzavaju. Vidio sam poprečne-presjeke katodnih čestica iz ćelija visokog{7}}ciklusa koje pod mikroskopom izgledaju kao razbijeno staklo u poređenju sa svježim ćelijama iz iste serije.

Elektrolit se raspada. Voda u tragovima uzrokuje probleme. Visok napon ubrzava oksidaciju. Na kraju dolazi do stvaranja plina, povećane impedancije i na kraju ćelija nabubri ili otvori ventilaciju.

Ništa od ovoga se ne dešava ravnomerno. Ćelije u vašem nizu serije koje su toplije ili su počele sa nešto manjim kapacitetom brže stare. Nakon godinu ili dvije, vaš "usklađeni" paket više nije uparen. Slaba ćelija ograničava čitav niz pri pražnjenju i preopterećuje se pokušavajući da održi korak. Odatle spirala smrti.

IEC 62660 i različiti UL standardi daju vam osnovu. Prenesite ih i možete poslati proizvod. Ali gledao sam kako se ćelije testiraju na sertifikaciju, a zatim se pojavio na terenu šest mjeseci kasnije s natečenim vrećicama.

Testovi za certifikaciju su dizajnirani tako da se mogu ponoviti u svim laboratorijama, a ne da simuliraju stvarnu upotrebu. Niko ne koristi svoj telefon na tačno 0,5C konstantne struje. Niko ne puni svoj električni alat na savršenom CC-CV profilu na 25 stepeni.

Ako ozbiljno razmišljate o tome kako će vaš paket raditi, morate napraviti testni protokol koji odgovara vašem stvarnom korisniku. Profilirajte svoju očekivanu struju pražnjenja. Uključite periode odmora. Pogodite temperaturne ekstreme koje će vaš proizvod vidjeti. Pokrenite dovoljno ćelija da dobijete statističku pouzdanost -, a to znači najmanje 15-20 po testu, a ne 3-5 sa kojima se većina startupova pokušava izvući.

Ćelije koje nisu uspjele u ranom životnom testiranju gotovo su uvijek imale proizvodne greške. Neravnine na elektrodi, kontaminacija, loši zavari na jezičcima. Oni će se pojaviti u prvih 50 ciklusa. Ćelije koje kasne - su one koje vam govore nešto o vašem dizajnu.

Možete izračunati očekivani životni vijek ako znate svoj korisnički profil. Telefon koji se puni svakodnevno, možda se potroši do 20% u prosjeku prije uključivanja -, što je otprilike 0,8 ciklusa dnevno. Tokom dvije-očekivanog vijeka trajanja, gledate na 580 ciklusa. Ako su vaše ćelije ocijenjene za 500 ciklusa do 80% kapaciteta, počet ćete viđati pritužbe oko 18. mjeseca.

To je razlog zašto Apple i Samsung povećavaju svoje pakete u odnosu na oglašeni kapacitet. "100%" koje vidite na svom telefonu nije 100% onoga što ćelije zapravo mogu sadržati. Oni drže tampon na vrhu i dnu kako bi smanjili stres na ćelije. Vaš telefon može imati 4500mAh fizičkog kapaciteta, ali softver vam omogućava da koristite samo 4000mAh.

Ista ideja radi za bilo koji baterijski proizvod. Možete ili postići svoj životni cilj sa boljim ćelijama - koje koštaju više - ili ga možete postići dodavanjem dodatnog kapaciteta i lakšim pokretanjem ćelija. Druga opcija obično dobija na ukupnim troškovima kada se uračunaju rezerve za garanciju.

Discharge Cycle

Ciklus pražnjenja je samo način da se kvantifikuje istrošenost. Poput brojčanih kilometara na automobilu, ali odnos između milja i preostalog životnog vijeka je mršaviji. Dva pakovanja na 300 ciklusa mogu imati potpuno različit preostali kapacitet u zavisnosti od toga kako su tamo dospela.

Proizvođači ćelija će vam dati svoje brojeve. Vaš posao je da otkrijete kako se ti brojevi prevode na vaš specifični proizvod i vaše specifične korisnike. Ne postoji formula za to. Testirate, šaljete, gledate podatke na terenu i prilagođavate se.