Jak wydłużyć trwałość baterii litowo-jonowych

Pomimo ciągłych udoskonaleń, baterie litowo-jonowe nie są idealne i mają jedną podstawową wadę: ulegają procesowi degradacji, co objawia się utratą pojemności. Ogniwa litowo-jonowe ulegają starzeniu (degradacji) zarówno z upływem czasu jak i w wyniku eksploatacji, czyli cykli ładowania / rozładowania.

Dlaczego baterie litowo-jonowe tracą pojemność z upływem czasu oraz co można zrobić aby wydłużyć ich trwałość? Czytaj poniżej.

Degradacja baterii – jak ją ograniczyć?

Pojemność baterii, czyli zdolność do gromadzenia energii to jej najważniejszy parametr. Ubytek pojemności stanowi poważny problem, gdyż zmniejsza opłacalność inwestycji w magazyn energii, czy obniża komfort jazdy samochodem elektrycznym z powodu konieczności częstszych postojów na ładowanie akumulatora. Jakie czynniki wpływają na szybkość degradacji oraz co można zrobić aby ograniczyć szybkość degradacji?

Prosta odpowiedź brzmi: jest wiele rodzajów baterii i zaledwie kilka uniwersalnych parametrów. Ogólnie mówiąc, każdy rodzaj baterii litowo-jonowej charakteryzuje się unikalnymi parametrami, które podlegają czynnikom zewnętrznym. Niektóre rodzaje ogniw bateryjnych są projektowane tak, aby przetrwać w niskich temperaturach, inne wykazują odporność na wysokie prądy, itd.

Przede wszystkim, należy wprowadzić pojęcia starzenia (degradacji) kalendarzowego, oraz starzenia eksploatacyjnego.

Degradacja kalendarzowa – stopniowa degradacja baterii z upływem czasu, nawet wówczas, gdy nie jest używana. Jeśli bateria nie jest używana, tzn. nie przepływa przez nią prąd (np. znajduje się w magazynie u dostawcy), bateria degraduje jedynie kalendarzowo. Degradację kalendarzową można w pewnym sensie porównać do starzenia się ludzi – nawet, jeśli nic nie robimy, proces starzenia postępuje.

Degradacja cykliczna – gdy tylko przez baterię zaczyna płynąć prąd, do degradacji kalendarzowej dochodzi degradacja cykliczna, wynikająca z cykli ładowania / rozładowania baterii. Wracając do analogii do ludzi, niektórzy z nas starzeją się szybciej pod wpływem intensywnej pracy i obciążenia.

Podczas degradacji baterii, zachodzą w nich równocześnie różne procesy starzenia. Każdy taki proces ma wpływ na parametry baterii i można wyodrębnić dwa parametry na które procesy starzenia mają wpływ: pojemność oraz rezystancja wewnętrzna.

Rezystancja wewnętrzna jest parametrem baterii i należy ją traktować jako ograniczenie mocy baterii. Odnosi się utraty mocy oraz wzrostu strat baterii powstałych w wyniku ładowania oraz rozładowywania baterii.

W przypadku domowych magazynów energii, wzrost rezystancji wewnętrznej, czyli spadek mocy, oznacza dłuższy czas ładowania oraz zmniejszenie liczby urządzeń, które mogą być jednocześnie zasilane z magazynu energii. W samochodzie elektrycznym, wzrost rezystancji wewnętrznej objawi się słabszym przyspieszeniem i mniejszym odzyskiwaniem energii podczas hamowania.

Oba rodzaje starzenia (degradacji) prowadzą do ubytku pojemności (oraz wzrostu rezystancji) na który wpływ mają czynniki takie jak:

• SOC, czyli poziom naładowania baterii – SOC ma wpływ zarówno na degradację kalendarzową jak i cykliczną,
• temperatura – konkretnie chodzi o temperaturę ogniwa bateryjnego, a nie o temperaturę otoczenia,
• moc ładowania / rozładowywania – a konkretnie natężenie przepływu prądu podczas ładowania oraz rozładowywania wpływa na degradację cykliczną.

Wpływ, jaki powyższe czynniki wywierają na szybkość degradacji akumulatora zależy od jego rodzaju i jest on najczęściej nieliniowy.

Wpływ temperatury na trwałość magazynu energii

Niska temperatura wpływa pozytywnie na przechowywanie większości rodzajów baterii litowo-jonowych, spowalniając degradację kalendarzową (poprzez ograniczenia występowania chemicznych reakcji pobocznych).

Niskie temperatury powodują spowolnienie przepływu jonów litu pomiędzy elektrodami. Oznacza to, że korzystając np. ze smartfona gdy jest zimno, prąd wytwarzany przez ogniwo litowo-jonowe jest na tyle niski, iż nie jest w stanie zasilić smartfona i ten się wyłącza. Jednak gdy później telefon rozgrzeje się do temperatury pokojowej, bateria funkcjonuje ponownie normalnie.

Nieco inaczej sprawa wygląda w przypadku ładowania baterii w niskich temperaturach, szczególnie poniżej zera. Na ogół warunki gwarancji nie pozwalają na ładowanie magazynu energii w ujemnych temperaturach (niektóre magazyny energii wyposażone są w systemy podgrzewania, co umożliwia ich ładowanie prądem o ograniczonym natężeniu przepływu do temperatury -10⁰C). Ładowanie akumulatora litowo-jonowego w ujemnych temperaturach może doprowadzić do trwałej degradacji jego wydajności oraz zmniejszenia bezpieczeństwa pracy (degradacja wywołana przerostem warstwy pasywnej, która wiąże jony litu ograniczając ich dostępność).

Co istotne jednak, żywotność baterii litowo-jonowych ulega zmniejszeniu w wyższych temperaturach. Dzieje się tak dlatego, że elektrolit znajdujący się pomiędzy elektrodami ulega rozpadowi w wysokich temperaturach, powodując utratę zdolności do transportu jonów litu.

Inżynierowie z amerykańskiego instytutu NREL (National Renewable Energy Laboratory) rekomendują umieszczenie magazynu energii w chłodnym, suchym miejscu. Baterie oraz komponenty znajdujące się w ich pobliżu powinny znajdować się w odpowiednich odległościach umożliwiających ich chłodzenie. Warto również wykonywać regularne przeglądy (np. usuwać kurz osiadający na radiatorach), które mogą być pomocne w zapewnieniu optymalnej pracy.

Wpływ SOC na żywotność baterii

Poziom naładowania – SOC (State of Health) – może mieć istotny wpływ zarówno na degradację kalendarzową, jak i na degradację wynikającą z eksploatacji baterii.

W degradacji cyklicznej, zakres w jakim odbywa się ładowanie / rozładowywanie baterii ma wpływ na jej trwałość. Generalna zasada mówi, iż należy unikać ładowania baterii powyżej SOC > 90% oraz poniżej SOC < 10%.

Inżynierowie w brytyjskim Faraday Institution ustalili, iż główne przyczyny wpływające na degradację struktury chemicznej baterii litowo-jownowych to przaładowywanie baterii oraz jej ciągłe podładowywanie.

Przeładowanie ogniwa litowo-jonowego odnosi się do sytuacji polegającej na ładowaniu baterii, która jest jest już w pełni naładowana.

Pomimo posiadania systemu zapobiegającemu przeładowaniu, pozostawienie baterii Li-ion na noc w ładowarce wpływa niekorzystnie na jej trwałość i wynika ze zjawiska zwanego podładowywaniem.

Podładowywanie (ang. trickle charge) oznacza proces, w którym bateria jest w sposób ciągły doładowywana do 100% za każdym razem gdy nastąpi rozładowanie. Takie przeskakiwanie pomiędzy 100% a minimalnie poniżej 100% może zwiększyć temperaturę ogniw, ograniczając pojemność i żywotność baterii.

Wpływ SOC na trwałość baterii LFP

Baterie LFP są dominującą technologią wśród magazynów energii do fotowoltaiki, jednak ten rodzaj akumulatorów spotyka się również wśród samochodów elektrycznych, np. BYD Dolphin, BYD Seal, BYD Sealion, Tesla Model 3, czy Citroen e-C3.

Producenci samochodów twierdzą, że najlepiej jest okresowo ładować akumulator LFP samochodu do 100%, co najmniej raz w tygodniu w przypadku Tesli lub raz w miesiącu w przypadku Forda. Pomaga to w kalibracji akumulatora, umożliwiając dokładniejszy odczyt zasięgu na zestawie wskaźników za każdym razem, gdy siadasz za kierownicą. Zaleca się to również w celu zachowania dobrego stanu baterii i uniknięcia spadku wydajności.

Jednak badanie opublikowane w Journal Of Electrochemical Society przeczy temu, co producenci samochodów mówią o procedurach ładowania baterii LFP. Badanie stwierdza, że powtarzające się cykle ładowania przy wyższym poziomie naładowania (SOC) mogą z czasem uszkodzić ogniwa LFP.

Naukowcy odkryli, że utrzymywanie w pełni naładowanych ogniw LFP tworzy szkodliwe związki w akumulatorze z powodu wysokiego napięcia i temperatury. Wraz ze wzrostem liczby cykli akumulatora – czyli rozładowywania i ładowania – te szkodliwe związki osadzają się na elektrodzie ujemnej, zużywając lit i powodując degradację baterii.

Jeśli nie jeździsz samochodem elektrycznym przez dłuższy czas, pozostawienie mniej naładowanego akumulatora LFP może pomóc, ponieważ obniżone napięcie nie będzie wpływać negatywnie. „Ładowanie i rozładowywanie mocno naładowanej baterii (75-100% SOC) jest szkodliwa dla ogniw LFP/grafitowych. Nasze wyniki pokazują korelację między średnim SOC akumulatora a szybkością degradacji pojemności, co oznacza, że im niższe średnie SOC, tym dłuższa żywotność…”, stwierdzono w badaniu. „Dlatego należy ograniczyć liczbę cykli przy wysokich poziomach naładowania”.

Jak to się przekłada na użytkowanie magazynu energii LFP do fotowoltaiki? Aby wydłużyć jego trwałość można ograniczyć ładowanie do pełna, ustawiając maksymalny poziom naładowania w aplikacji sterującej. Z drugiej strony, raz na jakiś czas (np. raz na tydzień lub raz na miesiąc) powinno się naładować magazyn energii LFP do pełna, aby oprogramowanie mogło się wykalibrować.

Może to być jednak nieco niepraktyczne na co dzień, tym bardziej że badacze nie pokusili się o określenie, jaki jest wpływ tych działań na trwałość. Testy trwały 2.500 godzin i z raportu wynika, iż „najlepsze ogniwa zachowały w tym czasie 97% pojemności, podczas gdy najgorsze zachowały 76% pojemności” i nie wiadomo jaki byłby wpływ SOC, gdyby testy trwały dłużej.

Moc ładowania / rozładowywania a trwałość baterii

Bardzo szybkie ładowanie, tzn. ładowanie z dużą mocą (dużym prądem) powoduje wzrost rezystancji baterii. To niestety przyczynia się do przyspieszenia degradacji akumulatora.

Stan zużycia baterii określa parametr SOH – State of Health (stan zdrowia baterii).

Wskazówki jak ograniczyć degradację baterii dla posiadaczy magazynów energii

Większość magazynów energii zainstalowanych wraz z instalacjami fotowoltaicznymi pracuje w zakresie SOC pomiędzy 50% a 100%, co sprzyja przyspieszonemu starzeniu. W celu spowolnienia degradacji, należy ustawić ładowanie magazynu na możliwie późne godziny, aby bateria przez krótszy czas przebywała w zakresie wysokiego poziomu naładowania.

Podsumowanie

• Najgorsza sytuacja dla baterii litowo-jonowej ma miejsce, gdy naładowana do pełna jest przechowywana lub eksploatowana w wysokiej temperaturze,
• Należy unikać ładowania baterii powyżej SOC>90% oraz rozładowania poniżej SOC<10%,
• Należy unikać bardzo szybkiego ładowania oraz rozładowywania magazynu energii (prąd szczytowy), gdyż wpływa to negatywnie na żywotność baterii.