Die Zyklenlebensdauer gibt an, wie viele Lade-{0}Entladezyklen ein Akku durchläuft, bevor er auf ein vordefiniertes Kapazitätsniveau abfällt. Normalerweise sind das 80 %, obwohl ich überall Spezifikationen gesehen habe – 70 % für einige Automobilanwendungen, 85 % für andere. Der Schwellenwert selbst ist irgendwie willkürlich und hat mehr mit Garantieberechnungen zu tun als mit irgendeiner grundlegenden Eigenschaft der Batteriechemie.
Warum Batterien schwächer werden
Die SEI-Schicht auf Graphitanoden ist wahrscheinlich der am besten untersuchte Abbaumechanismus in Lithium-Ionen-Batterien. Wenn Sie die Zelle zum ersten Mal aufladen, zersetzt sich der Elektrolyt an der Anodenoberfläche und bildet diesen festen Film-hauptsächlich Lithiumcarbonat, etwas Lithiumfluorid, wenn Sie LiPF6-Salz verwenden, und verschiedene organische Spezies. Diese Schicht sollte sich nach einigen Zyklen stabilisieren. Das ist nicht der Fall. Es wächst langsam weiter und frisst dabei Lithium auf, das eigentlich zirkulieren sollte. Ich habe vor ein paar Jahren an einem Projekt gearbeitet, bei dem ich versucht habe, SEI mit Elektrolytzusätzen zu stabilisieren. FEC (Fluorethylencarbonat) hilft, VC (Vinylencarbonat) hilft noch mehr. Keiner von beiden löst das Problem vollständig.
Kathoden mit hohem-Nickelgehalt reißen. NMC811, das zu 80 % aus Nickel, zu 10 % aus Mangan und zu 10 % aus Kobalt besteht, erfährt während des Zyklus massive Volumenänderungen -viel stärker als die älteren NMC111- oder NMC523-Zusammensetzungen. Die Partikel zerbrechen buchstäblich. Sie können es nach einigen hundert Zyklen im REM sehen. CATL hat etwa im Jahr 2019 herausgefunden, dass, wenn man einzelne-kristalline Partikel anstelle der polykristallinen Aggregate synthetisiert, die alle herstellten, die meisten Risse vermieden werden, weil es keine Korngrenzen gibt. Klingt jetzt offensichtlich, aber es hat Jahre gedauert, die Syntheseparameter im richtigen Maßstab zu erreichen. Ich denke, dass BYD mit seiner Blade-Batterie etwas Ähnliches macht, aber sie veröffentlichen nicht viel über ihre Kathodenverarbeitung.
Ehrlich gesagt ist die Temperatur wichtiger als alles andere. Mit jedem Anstieg um 10 Grad verdoppelt sich die Alterungsrate ungefähr. Das ist zwar nicht genau-verschiedene Mechanismen haben unterschiedliche Aktivierungsenergien-, aber es kommt nah genug für technische Schätzungen. Ein Rucksack, der bei durchschnittlich 35 Grad betrieben wird, hält viel länger als einer bei 45 Grad. Das hat Tesla schon früh mit dem Roadster gelernt. Ihre späteren Autos verfügen über ein ziemlich aggressives Wärmemanagement, sie kühlen auch im geparkten Zustand, wenn der Rucksack zu heiß wird.
Kälte ist seltsam. Die Abbauchemie verlangsamt sich, was gut ist. Der Widerstand ist jedoch viel höher, und wenn Sie versuchen, zu schnell zu laden, lagert sich Lithium auf der Anode ab, was sehr schlecht ist. Die Lithiumablagerungen führen zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust und wenn sie zu Dendriten wachsen, kann es zu einem internen Kurzschluss kommen. Aus diesem Grund können Sie bei den meisten Elektrofahrzeugen kein Gleichstrom-Schnellladen unter 0 Grad durchführen.
Entladungstiefe
Es gibt diesen bekannten Effekt, bei dem flaches Radfahren das Leben verlängert. Wenn Sie statt 100 % nur 40 % der Batteriekapazität nutzen, kann sich die Lebensdauer verdreifachen. Vielleicht mehr. Die Mechanismen sind nicht ganz klar. Kleinere Volumenänderungen in den Elektroden helfen wahrscheinlich. Es hilft auf jeden Fall, extreme Elektrodenpotentiale zu vermeiden, bei denen sich Nebenreaktionen beschleunigen. Aber niemand hat den genauen Beitrag jedes einzelnen Faktors wirklich bestimmt.
Jedes Elektrofahrzeug verbirgt eine gewisse Kapazität vor Ihnen. Wenn Ihr Dashboard 0 % anzeigt, haben Sie wahrscheinlich einen echten SOC von 5 %. Wenn 100 % steht, sind Sie bei 95 % oder vielleicht 90 %. Die Hersteller veröffentlichen diese Zahlen nicht. Ich habe versucht, es auf meinem alten Bolt rückzuentwickeln, indem ich mir die BMS-Daten über den CAN-Bus angesehen habe, aber die Kalibrierungstabellen sind verschlüsselt.
Testen von Zeitachsenproblemen
Niemand möchte 3-4 Jahre warten, um ein Batteriedesign zu validieren. Deshalb führen wir beschleunigte Tests durch – höhere Temperaturen, schnellere Zyklusraten. Das Problem besteht darin, dass nicht alle Abbaumechanismen auf die gleiche Weise beschleunigt werden. Manche tun es, manche nicht. Die Temperaturbeschleunigung funktioniert bei den meisten chemischen Prozessen recht gut. Die Geschwindigkeitsbeschleunigung ist lückenhaft. Und es gibt Fehlermodi, die erst nach einer längeren Kalenderzeit auftauchen und die man überhaupt nicht beschleunigen kann.
Die neuesten ML-Vorhersagen sind interessant. Sie geben frühe Zyklusdaten in ein Modell ein und es prognostiziert einen langfristigen Kapazitätsschwund. Stanford veröffentlichte 2019 einige Arbeiten dazu, Carnegie Mellon hat ähnliche Dinge getan. Es funktioniert überraschend gut bei den Zellen, an denen sie trainiert haben. Die Verallgemeinerung ist das Problem. Wenn Sie die Kathodenzusammensetzung oder die Elektrolytformulierung ändern, müssen Sie mit neuen Daten neu trainieren, was den Zweck verfehlt, wenn Sie versuchen, die Lebensdauer eines neuen Designs vorherzusagen.
Verschiedene Chemikalien
LFP hat eine bessere Lebensdauer als NMC, Punkt. Sie können problemlos 3000-5000 Zyklen erreichen, manchmal auch mehr. Die Einbußen bei der Energiedichte sind jedoch brutal. -Sie müssen 30–40 % im Vergleich zu NMC mit hohem Nickelgehalt einbüßen. Chinesische Hersteller haben entschieden, dass dieser Kompromiss für billigere Elektrofahrzeuge sinnvoll ist, bei denen die Reichweite nicht 300+ Meilen beträgt. BYD, CATL, alle dort machen LFP für Fahrzeuge mit Standardreichweite. Westliche OEMs übernehmen es langsamer. Kultureller Unterschied oder Marktunterschied oder beides, ich bin mir nicht sicher.
Basierend auf den Behauptungen von CATL und Natron soll Natrium-ion eine ähnliche Zyklenlebensdauer wie LFP haben, aber es wird erst seit etwa einem Jahr produziert, also wer weiß, was nach 5+ Jahren im Feld passiert.
Festkörper-versprechen weiterhin eine längere Lebensdauer, da der Verzicht auf flüssige Elektrolyte stabilere Grenzflächen bedeutet. Sie sind jedoch immer noch nicht im Handel erhältlich. QuantumScape ist nun schon seit etwa sechs Jahren „zwei Jahre entfernt“. Grenzflächenwiderstand, Kontaktverlust während des Zyklierens, Lithiumdendriten in einigen Designs-diese Probleme sind schwieriger als irgendjemand gedacht hat. Möglicherweise funktionieren Sulfidelektrolyte besser als Oxide. Die aus Japan stammenden Daten lassen darauf schließen.
Kalenderalterung
Dies wird oft ignoriert, ist aber für Fahrzeuge, die nicht viel gefahren werden, von großer Bedeutung. Schon beim Sitzen wird der Akku schwächer. Lagertemperatur und SOC sind beide wichtig. Der schlimmste Fall ist eine 100-prozentige Ladung bei hoher Temperatur. -Sie verlieren mehrere Prozentpunkte pro Jahr, wenn Sie nichts tun.. 40% SOC bei Raumtemperatur ist eine optimale Lagerung, aber offensichtlich nicht praktisch für ein Auto, das Sie tatsächlich nutzen.
Grid-Storage ist ein ganz anderes Tier. Sie benötigen eine Lebensdauer von 20+ Jahren, was mindestens 7000+ Zyklen bedeutet, wahrscheinlich 10,000+, wenn Sie täglich mehrere Zyklen durchführen. Sie können jedoch eine geringere Energiedichte tolerieren und haben mehr Raum für das Wärmemanagement. Die Ökonomie funktioniert anders-CAPEX ist im Vergleich zu OPEX wichtiger, wenn Sie über Jahrzehnte amortisieren.
Ich weiß nicht genug über die neuen Batterietypen, um etwas Nützliches sagen zu können. Lithium-Schwefel hat aufgrund des Polysulfid-Shuttles immer noch eine schreckliche Zykluslebensdauer, obwohl einige Unternehmen behaupten, sie hätten das Problem gelöst. Lithium--Metallanoden gepaart mit Festelektrolyten könnten der Weg in die Zukunft sein, aber das Dendritenproblem ist nicht verschwunden. Und selbst wenn die Materialien funktionieren, dauert die Ausweitung der Produktion von etwas Neuem mindestens 5-10 Jahre. Was auch immer als nächstes kommt, wir bleiben noch mindestens ein Jahrzehnt bei den Lithium-Ionen-Varianten hängen.
Ich weiß nicht genug über die neuen Batterietypen, um etwas Nützliches sagen zu können. Lithium-Schwefel hat aufgrund des Polysulfid-Shuttles immer noch eine schreckliche Zykluslebensdauer, obwohl einige Unternehmen behaupten, sie hätten das Problem gelöst. Lithium--Metallanoden gepaart mit Festelektrolyten könnten der Weg in die Zukunft sein, aber das Dendritenproblem ist nicht verschwunden. Und selbst wenn die Materialien funktionieren, dauert die Ausweitung der Produktion von etwas Neuem mindestens 5-10 Jahre. Was auch immer als nächstes kommt, wir bleiben noch mindestens ein Jahrzehnt bei den Lithium-Ionen-Varianten hängen.
Lithium-Polymer-Batterienliegen irgendwo dazwischen-bessere Verpackungsflexibilität als zylindrische Zellen, Lebensdauer vergleichbar mit Standard-Lithium-Ionen-bei angemessenen Temperaturen. Eine gute Option für beengte Platzverhältnisse, aber nichts Revolutionäres.
