Společnost Volytica diagnostika zde zkoumá běžné příčiny degradace baterie a taky jak by se mohla následně prodloužit životnost zařízení.
Uprostřed široké škály baterií má každý typ buňky a poddruh zařízení jedinečnou zranitelnost vůči degradaci ovlivněnou používáním a dalšími faktory. Některým článkům se daří při nízké teplotě, jiné vynikají při vysokých proudech. Taková specializace však často něco stojí.
Stárnutí baterie souvisí buď s časem (v případech kalendářního nebo „kalendárního“ stárnutí) nebo s používáním. Přičemž nabíjení a vybíjení představuje „cyklické“ stárnutí.
Cyklus stárnutí baterie
Obě formy stárnutí přispívají k vyblednutí kapacity a účinnosti a zvýšení vnitřního odporu, protože ionty se navždy zachytí v nepříjemných vedlejších reakcích. Tyto reakce jsou řízeny různými „ovlivňujícími faktory“. Typicky ionty reagují nevratně s jinými materiály v buňce, tvoří pasivní zbytky a brání jejich využití pro transport energie.
Mezi běžné ovlivňující faktory – jejichž vliv se liší podle typu článku – patří teplota bateriových článků; stav nabití zařízení (SOC); a proud nebo výkon použitý během nabíjení a vybíjení. Pokud jde o stav nabití – množství nabití nebo energie v baterii – při nečinnosti SOC záleží, když se baterie nepoužívá, a okno SOC (rozsah, ve kterém dochází k cyklování) je relevantní, když zařízení cykluje.
Mechanické namáhání, jako jsou vibrace a tlak, je dalším faktorem ovlivňujícím degradaci baterie, ale nyní se zaměříme na tři výše uvedené faktory.
Teplota zařízení
Teplota hraje klíčovou roli ve výdrži baterie. Většině buněčných chemikálií těží ze skladování a volnoběhu při nízkých teplotách, pod 20 °C, protože to zpomaluje stárnutí kalendáře snížením možnosti vedlejších reakcí. Volnoběh při vyšších teplotách může výrazně zvýšit rychlost degradace.
Naopak většina buněčných technologií je velmi citlivá na nízkoteplotní provoz, což způsobuje dilema. Vzhledem k tomu, že teplota vyšší než 30 °C až 40 °C je nižší než optimální, optimální teplota pro provoz bateriových článků je pro většinu chemických látek přibližně 15 °C až 25 °C. Novější baterie na bázi nikl-mangan-kobalt (NMC) jsou velmi citlivé na nízkoteplotní nabíjení a při nabíjení při teplotě nižší než 10 °C mohou nastat nebezpečné závady. V grafu vlevo jsou znázorněny tři vysoce kvalitní články NMC stejného typu rychlost degradace se mírně zlepší snížením provozní teploty o 10 °C, z 25 °C (oranžová čára) na 15 °C (fialová čára). Jít o 10 °C níže (modrá čára) by však baterii téměř okamžitě vybilo.
Pokovování lithiem
Lithium-iontové (li-ion) baterie jsou obecně bezpečné, ale za určitých podmínek – při nízkých teplotách, pod vysokým proudem nebo s již dobře zaplněnou hostitelskou elektrodou – může dojít k pokovování lithiem. Výše uvedený příklad ukazuje dopad pokovování při nízké teplotě. Pokovování je forma zbytků, ke kterým dochází, když ionty lithia tvoří kovové usazeniny uvnitř článků baterie. V průběhu času se tento proces může akumulovat a nakonec vést k vnitřním zkratům. Ty mohou spustit tepelný únik – rychlé a nebezpečné uvolnění tepla a plynů.
Je důležité si uvědomit, že podmínky, které usnadňují pokovování, jsou pouze částečně kontrolovatelné systémem správy baterie (BMS). Operátoři musí převzít odpovědnost za sledování a údržbu svých zařízení.
SOC
Stav nabití má zásadní vliv na životnost baterie. Záleží jak na nečinnosti SOC během nepoužívání (což se týká stárnutí kalendáře), tak na rozsahu nebo okně SOC během provozu (cyklické stárnutí). Následující příklad ukazuje dvě identické buňky NMC.
Níže uvedený graf ukazuje vývoj degradace dvou téměř identických případů použití vysoce kvalitních článků NMC.
Oba využívají pouze přibližně 50 % baterie a první případ použití (modrá čára) tak činí v horní polovině SOC, začíná plně nabitým a klesá na 50 %, než se znovu plně nabije. Druhý případ použití (v oranžové barvě) začíná na 50 % nabití a končí prakticky prázdný. Jak ukazují grafy, dopad na degradaci je neuvěřitelný. Oranžová baterie bude žít dvakrát až třikrát déle než modrá, což sníží celkové náklady na vlastnictví o více než polovinu.
Je třeba zdůraznit, že se však jedná o příklad konkrétního typu buňky a jiná zařízení a buňky se mohou chovat zcela odlišně. Obecně platí, že vyhýbání se SOC nad 90 % a pod 10 % obecně prodlužuje životnost baterie, ale existují výjimky.
Úrovně namáhání baterie – tzv. cyklus
Posouzení namáhání baterie se může stát složité, dokonce i pro odborníky. A může se ovlivnit změnami teploty, rozsahy SOC a profilem C-rate zařízení – jeho rychlost vybíjení vzhledem k maximální skladovací kapacitě. Takové faktory složitě interagují s matricí citlivosti buněčných typů. Úroveň stresu je jediné číslo, které měří, jak stresující je profil používání baterie ve srovnání s referenčním případem.
Úroveň stresu 1,0 znamená, že používání je zhruba tak stresující, jak bylo plánováno, 2,0 naznačuje, že se zařízení bude degradovat asi dvakrát rychleji, než se očekávalo. Nástroje, jako je diagnostika baterie, automaticky analyzují úrovně stresu, pomáhají při hodnocení rizik a optimalizují profily použití.
BMS‘
Probíhá debata o tom, zda by BMS měl kontrolovat ovlivňující faktory pro udržení zdraví baterie. BMS‘ může zabránit zvláště škodlivému a nebezpečnému použití, ale obvykle neposkytuje doporučení pro optimalizaci úrovní stresu.
Budoucí baterie
Globální trend baterií směrem k vyšší hustotě energie pro delší dojezdy často přichází za cenu zkrácení životnosti zařízení. Životnost baterií a bezpečnostní rezervy se v posledních letech v průměru snížily. To znamená, že se musí věnovat zvýšená pozornost provozu nejdražší degradující složky energetického přechodu. Citlivost všech typů li-ion článků na ovlivňující faktory by nás měla upozornit na nevyužitý potenciál optimalizace v mnoha scénářích používání baterií.
Význam monitoringu
Složitost stresových faktorů a případů použití baterie zvýrazněných výše zajišťuje, že pouhé počítání cyklů nebo protokolování stáří zařízení neposkytne jasný obrázek o jeho degradaci. Je zřejmé, že pravidelná kontrola kapacity baterie a jejího zdravotního stavu je nezbytná. A vidíme, že mírné úpravy profilů používání mohou výrazně snížit zátěž baterie a prodloužit životnost zařízení o 10 % až 50 % nebo více.
Claudius Jehle je zakladatelem a generálním ředitelem společnosti Volytica diagnostics GmbH. Ta se zaměřuje na snadné, bezpečné a nezávislé hodnocení kvality a zdravotního stavu baterií. Jehle studoval strojní inženýrství a identifikaci systémů na TU Mnichov a TU Delft. A vedl taky výzkumnou skupinu pro diagnostiku a telematiku ukládání energie na Fraunhoferově institutu pro dopravní a infrastrukturní systémy IVI v Drážďanech až do odštěpení společnosti Volytica v roce 2019.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
