แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเสื่อมสภาพลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป?

หากคุณเคยซื้อสกู๊ตเตอร์ไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง ระบบจัดเก็บพลังงานที่แข็งแกร่งสำหรับห้องโดยสารแบบไร้โครง หรืออุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานสูง มีโอกาสที่คุณจะต้องใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อให้แบตเตอรี่ทำงานต่อไปได้ ในฐานะซัพพลายเออร์ที่มีประสบการณ์การทำงานมาหลายปีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 60v 30ah,แบตเตอรี่ลิเธียม 80vและรุ่นที่ได้รับการปรับแต่งอื่นๆ ฉันลืมไปแล้วว่ามีลูกค้ากี่คนที่เริ่มการสนทนาด้วยคำถามที่คล้ายกัน: “เหตุใดแบตเตอรี่ของฉันจึงเก็บประจุได้น้อยกว่าตอนที่ฉันซื้อมันครั้งแรก” เป็นปัญหาสากลที่น่าหงุดหงิด และเป็นประเด็นที่มีรากฐานมาจากคุณสมบัติทางเคมีพื้นฐานของวิธีการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และวิธีที่เราใช้แบตเตอรี่เมื่อเวลาผ่านไป

ความจุลดลง ซึ่งเป็นการสูญเสียความสามารถของแบตเตอรี่ในการเก็บและส่งพลังงานไฟฟ้าอย่างช้าๆ ไม่ใช่ข้อบกพร่องเฉพาะของเทคโนโลยีลิเธียมไอออน แต่เป็นปัจจัยสำคัญสำหรับทุกคนที่ต้องพึ่งพาแบตเตอรี่เหล่านี้เพื่อประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะค่อยๆ ลดลง ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดซึ่งมีแนวโน้มที่จะพังกะทันหัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะค่อยๆ ลดลง ดังนั้นคุณอาจไม่สังเกตเห็นความจุที่ลดลงอย่างช้าๆ ในตอนแรก จนกว่ารถจักรยานยนต์ไฟฟ้าของคุณจะวิ่งได้เพียง 20 ไมล์ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง แทนที่จะเป็นพิกัด 30 หรือระบบไฟฟ้าสำรองของคุณทำงานเพียงครึ่งหนึ่งของเวลาที่ทำได้ในปีที่แล้ว การทำความเข้าใจว่าอะไรเป็นสาเหตุของความเสื่อมโทรมนี้ไม่ใช่แค่เรื่องวิชาการสำหรับเราในฐานะซัพพลายเออร์เท่านั้น มันช่วยให้เราให้ความรู้แก่ลูกค้าเกี่ยวกับวิธียืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของพวกเขาให้สูงสุด และกำหนดรูปแบบการออกแบบและทดสอบรุ่นที่เรานำเสนอ ตั้งแต่ขนาดกระทัดรัดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 8 Ahสำหรับเครื่องมือไฟฟ้าแบบพกพาสำหรับงานหนักแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 300ahสำหรับการจัดเก็บในระดับกริด

หากต้องการทราบต้นตอของการสูญเสียความจุ เรามาเริ่มกันที่หลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุกก้อนจะมีอิเล็กโทรดสองขั้ว: แคโทดบวก (มักทำจากลิเธียมโลหะออกไซด์ เช่น ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์หรือลิเธียมเหล็กฟอสเฟต) และขั้วบวกลบ ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากกราไฟท์ อิเล็กโทรดเหล่านี้ถูกแยกออกจากกันด้วยเมมเบรนที่มีรูพรุนบางๆ ซึ่งจุ่มอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือเจลที่ช่วยให้ลิเธียมไอออนเคลื่อนที่ไปมาระหว่างทั้งสองด้าน เมื่อคุณชาร์จแบตเตอรี่ ลิเธียมไอออนจะออกจากแคโทด เดินทางผ่านอิเล็กโทรไลต์และเมมเบรน และฝังตัวอยู่ในกราไฟท์แอโนด เมื่อคุณคายประจุ กระบวนการจะย้อนกลับ: ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนกลับไปที่แคโทด และปล่อยพลังงานที่จ่ายให้กับอุปกรณ์ของคุณ

การเต้นของไอออนนี้ฟังดูเรียบง่าย แต่มีรอบการชาร์จและการคายประจุมากกว่าร้อยรอบ การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ สะสมเกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ ซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่ช้าลงและลดปริมาณประจุที่สามารถจัดเก็บได้ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จัดอยู่ในหมวดหมู่หลักๆ สองสามหมวดหมู่ และมักได้รับอิทธิพลจากวิธีการใช้งานและการดูแลแบตเตอรี่ของคุณ เรามาแยกย่อยทีละรายการ พร้อมตัวอย่างที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ที่เราจัดหาให้

ประการแรก สาเหตุที่แพร่หลายมากที่สุดของการย่อยสลายคือการก่อตัวของเฟสระหว่างโซลิด-อิเล็กโตรไลต์ หรือเรียกสั้น ๆ ว่า SEI เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนครั้งแรก อิเล็กโทรไลต์จำนวนเล็กน้อยบนพื้นผิวแอโนดจะแตกตัวและก่อตัวเป็นชั้นแข็งบาง ๆ ที่เคลือบอนุภาคกราไฟท์ SEI มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากสามารถซึมผ่านไอออนได้ ดังนั้นจึงปล่อยให้ลิเธียมไอออนผ่านไปยังขั้วบวก แต่จะป้องกันปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์เพิ่มเติมระหว่างอิเล็กโทรไลต์และขั้วบวกที่อาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้ ปัญหาคือเลเยอร์นี้ไม่คงที่ ทุกครั้งที่ชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ ลิเธียมจำนวนเล็กน้อยจะติดอยู่ในชั้น SEI แทนที่จะเคลื่อนที่อย่างอิสระระหว่างอิเล็กโทรด เมื่อเวลาผ่านไป ลิเธียมที่ติดอยู่นี้จะเพิ่มขึ้น ทำให้เหลือพลังงานให้กับอุปกรณ์ของคุณน้อยลง สำหรับตัวเล็กแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 24v20ahสำหรับรถตัดหญ้า หมายความว่าหลังจากใช้งานครบ 500 รอบ คุณอาจเห็นว่าความจุลดลง 10% ซึ่งเป็นสิ่งที่ลูกค้าจำนวนมากสังเกตเห็นเมื่อเครื่องตัดหญ้าสามารถตัดหญ้าได้เพียงครึ่งหลาก่อนที่จะต้องเติมใหม่

ปัจจัยใหญ่ประการที่สองคือการเสื่อมสภาพของแคโทด แคโทดเป็นแหล่งกำเนิดของลิเธียมไอออนที่ทำให้แบตเตอรี่ทำงาน และมีแนวโน้มที่จะสึกหรอพอๆ กับขั้วบวก เมื่อเวลาผ่านไป อนุภาคเล็กๆ ที่ประกอบเป็นแคโทดสามารถแตกหรือแตกออกได้ ทำไม ลิเธียมไอออนที่เคลื่อนที่เข้าและออกจากแคโทดทำให้วัสดุขยายตัวและหดตัวเล็กน้อยในทุกประจุ หลังจากหลายพันรอบ การขยายตัวและการหดตัวซ้ำๆ จะทำให้โครงสร้างของแคโทดอ่อนแอลง ส่งผลให้อนุภาคแตกตัว เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น ลิเธียมบางส่วนจะไม่สามารถเข้าถึงได้อีกต่อไป เนื่องจากมันติดอยู่ภายในอนุภาคที่แตกหัก และไม่สามารถเคลื่อนไปยังขั้วบวกได้ในระหว่างการชาร์จ สำหรับแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูงอย่างเราแบตเตอรี่ลิเธียม 80vซึ่งจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ก่อสร้างขนาดใหญ่ การย่อยสลายประเภทนี้จะถูกเร่งด้วยแรงไฟฟ้าแรงสูงและกระแสไฟฟ้าสูง ผู้ปฏิบัติงานมักจะใช้งานแบตเตอรี่เหล่านี้ที่ความจุใกล้เต็มเป็นเวลานาน ซึ่งจะเร่งการสึกหรอของแคโทด ดังนั้นบริษัทก่อสร้างอาจเริ่มสังเกตเห็นความจุลดลง 15% หลังจากผ่านไปเพียง 300 รอบ ในขณะที่แบตเตอรี่สำหรับใช้งานเพื่อการพักผ่อนอาจมีอายุการใช้งาน 500 รอบก่อนที่จะถึงจุดนั้น

ผู้ร้ายทั่วไปอีกประการหนึ่งคือการชุบลิเธียม นี่เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นเมื่อชาร์จแบตเตอรี่เร็วเกินไป โดยเฉพาะในอุณหภูมิที่เย็น ภายใต้สภาวะการชาร์จปกติ ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังขั้วบวกและฝังตัวอยู่ในโครงสร้างกราไฟท์ แต่ถ้าคุณชาร์จแบตเตอรี่เร็วกว่าที่ไอออนจะเคลื่อนที่ได้ หรือหากแบตเตอรี่เย็นเกินไป ไอออนก็จะฝังตัวได้ยาก แต่จะก่อตัวเป็นลิเธียมโลหะขนาดเล็กบนพื้นผิวขั้วบวก เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งสะสมเหล่านี้สามารถเติบโตเป็นโครงสร้างคล้ายเข็มที่เรียกว่าเดนไดรต์ ซึ่งเจาะทะลุตัวคั่นระหว่างแอโนดและแคโทด ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร แม้ว่าการชุบลิเธียมที่มีขนาดเล็กกว่านั้น ไม่เพียงแต่ก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเท่านั้น แต่ยังดูดซับลิเธียมที่มีอยู่ออกไป ส่งผลให้สูญเสียกำลังการผลิตอย่างถาวร สำหรับลูกค้าที่ใช้ของเราแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 60v 30ahสำหรับจักรยานไฟฟ้า นี่เป็นปัญหาที่พบบ่อยหากพวกเขาชาร์จจักรยานในโรงรถซึ่งมีอุณหภูมิลดลงถึง 30°F หรือต่ำกว่าในช่วงฤดูหนาว ฉันมีลูกค้าหลายรายกลับมาบอกว่าแบตเตอรี่ที่เคยชาร์จเต็มใน 2 ชั่วโมงตอนนี้ใช้เวลา 4 และเก็บประจุได้เพียง 80% เท่านั้น ซึ่งเกิดจากการชุบลิเธียมจากการชาร์จแบบเย็นอย่างรวดเร็ว

ปัจจัยภายนอกยังมีบทบาทอย่างมากต่อความรวดเร็วของแบตเตอรี่ และสิ่งเหล่านี้มักจะอยู่ในการควบคุมของผู้ใช้ อุณหภูมิคือสิ่งที่ใหญ่ที่สุด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีความสุขที่สุดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิห้องที่ไม่รุนแรง ระหว่าง 20°C ถึง 25°C (68°F ถึง 77°F) หากแบตเตอรี่ร้อนเกินไป เช่น การนั่งอยู่ในรถปิดที่จอดตากแดดตลอดฤดูร้อน หรือถูกใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ที่ทำงานร้อนนานหลายชั่วโมง ปฏิกิริยาเคมีภายในจะเร็วขึ้นอย่างมาก โดยเร่งให้เกิดการก่อตัวของ SEI การสึกหรอของแคโทด และการชุบลิเธียม ในทางกลับกัน การทิ้งแบตเตอรี่ไว้ในที่เย็นจัดโดยไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานก็อาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้เช่นกัน ฉันมักจะแนะนำลูกค้าที่มีแบตเตอรี่สำรองสำหรับรถบ้านหรือเรือให้เก็บไว้ในที่เย็นและแห้ง แทนที่จะปล่อยให้ชาร์จจนเต็มหรือคายประจุจนหมดเป็นเวลาหลายเดือน แบตเตอรี่ที่คายประจุจนหมดอาจได้รับผลกระทบจากการกัดกร่อนของขั้วบวก ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มภายใต้ความร้อนจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าการชาร์จครึ่งหนึ่งมาก

ความลึกของการปล่อย (DoD) เป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญ ความลึกของการคายประจุหมายถึงความจุรวมของแบตเตอรี่ที่คุณใช้ก่อนที่จะชาร์จใหม่ ตัวอย่างเช่นหากคุณแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 300ahใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับระบบกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ และคุณใช้พลังงานเพียง 150ah ต่อวันเท่านั้น ซึ่งคิดเป็น 50% DoD หากคุณระบายมันลงไปที่ 30ah นั่นคือ DoD 90% หลักการทั่วไปคือ: ยิ่งคุณคายประจุแบตเตอรี่ได้ลึกเท่าไร แบตเตอรี่ก็จะเสื่อมเร็วขึ้นเท่านั้น แต่ละครั้งที่คุณหมุนเวียนแบตเตอรี่ 100% จากเต็มจนหมด คุณจะสร้างความเครียดให้กับขั้วบวกและแคโทดมากกว่าการปล่อยประจุแบบตื้น สำหรับลูกค้าที่ใช้แบตเตอรี่สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์หรือพลังงานสำรอง ซึ่งความน่าเชื่อถือไม่สามารถต่อรองได้ นี่หมายถึงการวางแผนการใช้พลังงานเพื่อหลีกเลี่ยงการปล่อยประจุไฟฟ้าลึกทุกครั้งที่เป็นไปได้ เราออกแบบแบตเตอรี่โดยคำนึงถึงสิ่งนี้ โดยสร้างวงจรป้องกันที่ป้องกันการคายประจุมากเกินไป แต่เรายังคงทำงานอย่างใกล้ชิดกับลูกค้าเพื่อช่วยปรับรูปแบบการใช้งานเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

การนับรอบเป็นหน่วยเมตริกที่เข้าใจง่ายกว่า และมักจะระบุอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ตามที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลแบตเตอรี่ รอบจะนับเป็นการคายประจุและชาร์จจนเต็มหนึ่งครั้ง แต่สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่ารอบการไม่เพียงแค่ทำให้แบตเตอรี่หมดจาก 100% เหลือ 0% เท่านั้น ตัวอย่างเช่น การคายประจุ 50% สองครั้ง (โดยใช้ความจุของแบตเตอรี่ 50% ในแต่ละครั้ง) จะรวมกันเป็นหนึ่งรอบเต็ม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่จะคงความจุไว้ประมาณ 80% ของความจุเดิมหลังจากใช้งานครบ 500 ถึง 1,500 รอบ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีและวิธีการใช้งาน แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) ซึ่งเราใช้กับอุปกรณ์จัดเก็บแบบอยู่กับที่หลายรุ่นของเรา มีแนวโน้มที่จะมีอายุการใช้งานนานกว่า (มักเป็น 2,000 รอบหรือมากกว่า) มากกว่าเคมีนิกเกิล-โคบอลต์-อลูมิเนียม (NCA) หรือนิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ (NMC) ซึ่งพบได้ทั่วไปในรถยนต์ไฟฟ้าและการใช้งานด้านพลังงานแบบพกพา ของเราแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 8 Ahตัวอย่างเช่น สำหรับเครื่องมือไฟฟ้า จะใช้เคมีของ NMC ซึ่งออกแบบมาเพื่อจัดการกับท่อระบายน้ำกระแสสูงในช่วงเวลาสั้นๆ และได้รับการจัดอันดับสำหรับ 800 รอบถึงความจุ 80%

เป็นที่น่าสังเกตว่าการย่อยสลายจะเกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป และการสูญเสียกำลังการผลิตไม่ได้เกิดขึ้นอย่างถาวร บางครั้งสิ่งที่ดูเหมือนว่าแบตเตอรี่เสื่อมสภาพอาจเกิดจากการใช้ไม่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ที่ไม่ได้ใช้งานเป็นเวลาหลายเดือนอาจมีความจุลดลงชั่วคราวเนื่องจากการคายประจุเอง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคายประจุเองได้ในอัตราประมาณ 2-3% ต่อเดือน แต่หากเก็บไว้จนหมดประจุ การคายประจุเองนั้นอาจทำให้เกิดการกัดกร่อนของขั้วบวก ซึ่งเป็นการสูญเสียอย่างถาวร การชาร์จจนเต็มอย่างรวดเร็วหลังการจัดเก็บในบางครั้งสามารถกู้คืนความจุที่ลดลงชั่วคราวได้

ในฐานะซัพพลายเออร์แบตเตอรี่ งานของเราไม่เพียงแค่ขายแบตเตอรี่ให้คุณเท่านั้น แต่ยังทำให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่จะทำงานได้ดีนานที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เราใช้เวลาหลายปีในการทดสอบโมเดลของเราตั้งแต่รุ่นกะทัดรัดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 24v20ahสำหรับรถกอล์ฟที่มีกำลังสูงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 60v 30ahสำหรับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้า เพื่อทำความเข้าใจว่ารูปแบบการใช้งานที่แตกต่างกันส่งผลต่อการเสื่อมสภาพอย่างไร เรามีคู่มือการดูแลโดยละเอียดในทุกการจัดส่ง การให้คำแนะนำลูกค้าเกี่ยวกับอุณหภูมิการชาร์จที่เหมาะสม ระดับ DoD ที่แนะนำ และเคล็ดลับในการเก็บรักษา สำหรับลูกค้าที่มีกลุ่มแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ เช่น บริษัทก่อสร้างหรือผู้ติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ เราเสนอการสนับสนุนแบบกำหนดเองเพื่อช่วยพวกเขาในการตั้งค่าโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่ลดการเสื่อมสภาพ ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและเปลี่ยนในระยะยาว

ท้ายที่สุดแล้ว การลดกำลังการผลิตไม่ใช่ความล้มเหลวของเทคโนโลยีลิเธียมไอออน แต่เป็นส่วนหนึ่งตามธรรมชาติของวิธีการทำงานของแบตเตอรี่เหล่านี้ และการทำความเข้าใจว่าเป็นก้าวแรกในการใช้ประโยชน์สูงสุดจากการลงทุนของคุณ ไม่ว่าคุณจะเป็นงานอดิเรกที่มีจักรยานไฟฟ้าคันเดียว เจ้าของธุรกิจที่จัดการกลุ่มอุปกรณ์ขนถ่ายวัสดุ หรือผู้ติดตั้งที่สร้างระบบพลังงานแสงอาทิตย์ในที่พักอาศัย การรู้ว่าอะไรทำให้แบตเตอรี่ของคุณสูญเสียความจุจะช่วยให้คุณปรับนิสัยเพื่อยืดอายุการใช้งานได้ หากคุณอยู่ในตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เชื่อถือได้ ซึ่งปรับแต่งให้เหมาะกับการใช้งานเฉพาะของคุณ และต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการยืดอายุการใช้งานให้สูงสุด โปรดติดต่อทีมงานของเราวันนี้เพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการของคุณ

อ้างอิง:

1. สโครซาติ บี. และการ์เช่ เจ. (2010) แบตเตอรี่ลิเธียม: สถานะ แนวโน้ม และอนาคต วารสารแหล่งพลังงาน, 195(9), 2419-2430.
2. Vetter, J., Novák, P., Wagner, MR, Veit, C., Möller, KC, Besenhard, JO, ... & Winter, M. (2005) กลไกการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน วารสารแหล่งพลังงาน, 147(1-2), 269-281.
3. Liu, W., Kumar, V., & Chen, Z. (2019) การทบทวนกลไกการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและวิธีการประมาณค่าสภาวะสุขภาพ พลังงาน 12(10) 2448
4. Bloom, I., Christian, J., Jones, S., Battaglia, VS, Henriksen, G., & Johnson, C. (2001) การวิเคราะห์แรงดันดิฟเฟอเรนเชียลของเซลล์ลิเธียมไอออนกำลังสูง 1. เทคนิคและการประยุกต์ วารสารแหล่งพลังงาน, 101(2), 238-245.