O ciclo de vida é quantos ciclos de carga{0}}descarga uma bateria passa antes de atingir um nível de capacidade predefinido. Normalmente são 80%, embora eu tenha visto especificações em todos os lugares – 70% para algumas aplicações automotivas, 85% para outras. O limite em si é meio arbitrário e tem mais a ver com cálculos de garantia do que com qualquer propriedade fundamental da química da bateria.
Por que as baterias se degradam
A camada SEI em ânodos de grafite é provavelmente o mecanismo de degradação mais estudado em baterias de íons de lítio. Quando você carrega a célula pela primeira vez, o eletrólito se decompõe na superfície do ânodo e forma esse filme sólido-principalmente carbonato de lítio, um pouco de fluoreto de lítio se você estiver usando sal LiPF6, várias espécies orgânicas. Esta camada deve estabilizar após alguns ciclos. Isso não acontece. Ele continua crescendo, lentamente, consumindo o lítio que deveria estar circulando. Trabalhei em um projeto há alguns anos tentando estabilizar o SEI com aditivos eletrolíticos. FEC (carbonato de fluoroetileno) ajuda, VC (carbonato de vinilo) ajuda mais. Nenhum deles resolve completamente.
Cátodos de alto-níquel quebram. O NMC811, que é composto por 80% de níquel, 10% de manganês e 10% de cobalto, sofre enormes alterações de volume durante a ciclagem-muito mais do que as composições NMC111 ou NMC523 mais antigas. As partículas literalmente se separam. Você pode vê-lo no SEM após algumas centenas de ciclos. A CATL descobriu por volta de 2019 que, se você sintetizar partículas-de cristal único em vez dos agregados policristalinos que todos estavam produzindo, eliminaria a maior parte das rachaduras porque não há limites de grãos. Parece óbvio agora, mas levar anos para acertar os parâmetros de síntese em escala. Acho que a BYD está fazendo algo semelhante com a bateria Blade, mas não publica muito sobre o processamento catódico.
A temperatura é mais importante do que qualquer outra coisa, honestamente. Para cada aumento de 10 graus você praticamente dobra a taxa de envelhecimento. Isso não é exato-mecanismos diferentes têm energias de ativação diferentes-mas é próximo o suficiente para estimativas de engenharia. Um pacote que funciona a uma média de 35 graus durará muito mais do que um a 45 graus. Tesla aprendeu isso cedo com o Roadster. Seus carros posteriores têm gerenciamento térmico bastante agressivo, eles funcionarão refrigerando mesmo quando estacionados se o pacote ficar muito quente.
O frio é estranho. A degradação química fica mais lenta, o que é bom. Mas você obtém uma resistência muito maior e, se tentar carregar muito rápido, colocará lítio no ânodo, o que é muito ruim. Os depósitos de lítio apresentam perda de capacidade irreversível e se eles se transformarem em dendritos, você poderá sofrer um curto-circuito interno. A maioria dos EVs não permite carregamento rápido DC abaixo de 0 grau por esse motivo.
Profundidade de descarga
Há um efeito-bem conhecido em que a ciclagem superficial prolonga a vida útil. Se você usar apenas 40% da capacidade da bateria em vez de 100%, poderá triplicar o ciclo de vida. Talvez mais. Os mecanismos não são totalmente claros. Mudanças menores de volume nos eletrodos provavelmente ajudam. Evitar potenciais extremos de eletrodo, onde as reações colaterais se aceleram, definitivamente ajuda. Mas ninguém definiu realmente a contribuição exata de cada fator.
Cada EV esconde alguma capacidade de você. Quando seu painel diz 0%, você provavelmente está com 5% de SOC real. Quando diz 100% você está em 95% ou talvez 90%. Os fabricantes não publicam esses números. Tentei fazer-engenharia reversa no meu antigo Bolt observando os dados do BMS no barramento CAN, mas as tabelas de calibração estão criptografadas.
Testando problemas de cronograma
Ninguém quer esperar 3-4 anos para validar o projeto de uma bateria. Portanto, fazemos testes acelerados – temperaturas mais altas, taxas de ciclagem mais rápidas. O problema é que nem todos os mecanismos de degradação aceleram da mesma forma. Alguns sim, outros não. A aceleração da temperatura funciona muito bem para a maioria dos processos químicos. A aceleração da taxa é incompleta. E há modos de falha que só aparecem após um período prolongado de calendário e você simplesmente não consegue acelerar.
O material recente de previsão de ML é interessante. Você alimenta um modelo com dados do ciclo inicial e ele prevê o declínio da capacidade-de longo prazo. Stanford publicou alguns trabalhos sobre isso em 2019, Carnegie Mellon fez coisas semelhantes. Funciona surpreendentemente bem nas células nas quais eles treinaram. Generalização é o problema. Altere a composição do cátodo ou a formulação do eletrólito e você precisará treinar novamente com novos dados, o que vai contra o propósito se você estiver tentando prever a vida útil de um novo projeto.
Químicas diferentes
LFP tem melhor ciclo de vida do que NMC, ponto final. Você pode obter 3.000{3}}5.000 ciclos facilmente, às vezes mais. A penalidade de densidade de energia é brutal, embora-você esteja desistindo de 30-40% em comparação com o NMC com alto teor de níquel. Os fabricantes chineses decidiram que esta compensação faz sentido para veículos elétricos mais baratos, onde as pessoas não precisam de autonomia de 300+ milhas. BYD, CATL, todos estão fazendo LFP para veículos de gama padrão. Os OEMs ocidentais demoram mais para adotá-lo. Diferença cultural ou diferença de mercado ou ambos, não tenho certeza.
Supõe-se que o íon -de sódio tenha um ciclo de vida semelhante ao LFP com base no que CATL e Natron afirmam, mas só está em produção há cerca de um ano, então quem sabe o que acontece depois de 5+ anos no campo.
O estado-sólido continua prometendo melhor ciclo de vida porque nenhum eletrólito líquido significa interfaces mais estáveis. Mas eles continuam não estando disponíveis comercialmente. O QuantumScape está “a dois anos de distância” há cerca de seis anos. Resistência da interface, perda de contato durante o ciclo, dendritos de lítio em alguns projetos-esses problemas são mais difíceis do que se pensava. Talvez os eletrólitos de sulfeto funcionem melhor que os óxidos. Os dados vindos do Japão sugerem que talvez.
Envelhecimento do calendário
Isso é muito ignorado, mas é enorme para veículos que não são muito dirigidos. Sua bateria se degrada só de ficar parada. A temperatura de armazenamento e o SOC são importantes. O pior caso é 100% de carga em alta temperatura-você perderá vários pontos percentuais por ano sem fazer nada. 40% SOC em temperatura ambiente é o armazenamento ideal, mas obviamente não é prático para um carro que você realmente usa.
O armazenamento em grade é um animal completamente diferente. Você precisa de 20+ anos de vida útil, o que significa 7000+ ciclos no mínimo, provavelmente 10,000+ se você estiver fazendo vários ciclos diariamente. Mas você pode tolerar menor densidade de energia e terá mais espaço para gerenciamento térmico. A economia funciona de maneira diferente-O CAPEX é mais importante em relação ao OPEX quando você está amortizando ao longo de décadas.
Não sei o suficiente sobre os novos tipos de bateria para dizer muita coisa útil. O-enxofre de lítio ainda tem um ciclo de vida terrível por causa do ônibus polissulfeto, embora algumas empresas afirmem que o resolveram. Ânodos de metal-de lítio combinados com eletrólitos sólidos podem ser o caminho a seguir, mas o problema dos dendritos não desapareceu. E mesmo que os materiais funcionem, aumentar a produção de qualquer coisa nova leva no mínimo 5-10 anos. Então, aconteça o que acontecer a seguir, ficaremos presos às variações do íon-lítio por pelo menos mais uma década.
Não sei o suficiente sobre os novos tipos de bateria para dizer muita coisa útil. O-enxofre de lítio ainda tem um ciclo de vida terrível por causa do ônibus polissulfeto, embora algumas empresas afirmem que o resolveram. Ânodos de metal-de lítio combinados com eletrólitos sólidos podem ser o caminho a seguir, mas o problema dos dendritos não desapareceu. E mesmo que os materiais funcionem, aumentar a produção de qualquer coisa nova leva no mínimo 5-10 anos. Então, aconteça o que acontecer a seguir, ficaremos presos às variações do íon-lítio por pelo menos mais uma década.
Baterias de polímero de lítiofica em algum lugar entre-melhor flexibilidade de embalagem do que células cilíndricas, ciclo de vida comparável ao íon-de lítio padrão se você mantiver as temperaturas razoáveis. Opção decente para espaços restritos, mas nada revolucionário.
