サイクル寿命とは何ですか?

サイクル寿命とは、バッテリーが事前に定義された容量レベルまで劣化するまでに充放電サイクルを繰り返す回数のことです。{0}通常これは 80% ですが、私はあちこちで仕様を見てきました。一部の自動車アプリケーションでは 70%、他のアプリケーションでは 85% です。しきい値自体は一種の恣意的なものであり、バッテリーの化学的性質の基本的な特性よりも保証の計算に関係があります。

グラファイト負極上の SEI 層は、おそらくリチウムイオン電池で最もよく研究されている劣化メカニズムです。{0}}セルを最初に充電すると、電解液がアノード表面で分解し、この固体膜が形成されます。-主に炭酸リチウム、LiPF6 塩を使用している場合はフッ化リチウム、さまざまな有機種が含まれます。この層は数サイクル後に安定するはずです。そうではありません。ゆっくりと成長を続け、循環するはずのリチウムを消費します。私は数年前、電解質添加剤を使用して SEI を安定化させるプロジェクトに取り組みました。 FEC (フルオロエチレンカーボネート) が効果的ですが、VC (ビニレンカーボネート) がさらに効果的です。どちらも完全には解決しません。

高ニッケルの陰極に亀裂が入っています。- NMC811 はニッケル 80%、マンガン 10%、コバルト 10% で構成されており、サイクリング中に古い NMC111 や NMC523 組成よりもはるかに大きな体積変化を受けます。{6}}粒子は文字通りばらばらになります。数百サイクル後にSEMで確認できます。 CATL は 2019 年頃に、誰もが作っていた多結晶集合体の代わりに単結晶粒子を合成すれば、粒界がないため亀裂のほとんどが解消されることを発見しました。-今では当たり前のように聞こえますが、合成パラメータを適切な規模で取得するには何年もかかりました。 BYD も Blade バッテリーで同様のことを行っていると思いますが、陰極処理についてはあまり公開していません。

正直に言うと、温度は何よりも重要です。 10度上昇するごとに、老化速度はおよそ2倍になります。これは正確ではありません-メカニズムが異なれば活性化エネルギーも異なります-が、工学的な推定には十分近い値です。平均 35 度で実行したパックは、45 度で実行したパックよりもはるかに長く持続します。テスラはロードスターでこのことを早くから学びました。彼らの後期の車はかなり積極的な熱管理を備えており、パックが熱くなりすぎた場合は駐車中でも冷却を実行します。

寒さって変ですよ。分解化学反応が遅くなるのは良いことです。しかし、抵抗がはるかに高くなり、あまりに速く充電しようとすると、アノードにリチウムがメッキされてしまい、非常に悪いことになります。リチウムの堆積物は不可逆的な容量の損失であり、樹状突起に成長すると内部短絡が発生する可能性があります。このため、ほとんどの EV では 0 度以下では DC 急速充電ができません。

cycle life

浅いサイクリングが寿命を延ばすというよく知られた効果があります。-バッテリー容量の 100% ではなく 40% のみを使用すると、サイクル寿命が 3 倍になる可能性があります。もしかしたらもっとあるかもしれない。メカニズムは完全には明らかではありません。電極の体積変化が小さいことがおそらく役立つでしょう。副反応が加速する極端な電極電位を避けることは、間違いなく役立ちます。しかし、各要因の正確な寄与を正確に突き止めた人は誰もいません。

すべての EV は、ある程度の容量をユーザーから隠しています。ダッシュボードに 0% と表示されている場合は、実際の SOC が 5% である可能性があります。 100% と表示されている場合、95% またはおそらく 90% になります。メーカーはこれらの数値を公表していません。古いBoltでCANバス経由でBMSデータを調べてリバースエンジニアリングしようとしましたが、キャリブレーションテーブルは暗号化されていました。

バッテリー設計の検証に 3-4 年も待ちたい人はいません。そのため、より高い温度、より速いサイクル速度で加速テストを行っています。問題は、すべての劣化メカニズムが同じように加速するわけではないことです。する人もいるし、しない人もいます。温度加速は、ほとんどの化学プロセスで非常にうまく機能します。レート加速は大ざっぱです。また、カレンダー時間が延長された後にのみ現れる障害モードもあり、まったく加速することができません。

最近のML予測ネタは面白いですね。初期のサイクルデータをモデルにフィードすると、長期的な容量の低下が予測されます。-スタンフォード大学は 2019 年にこれに関する研究を発表し、カーネギーメロン大学も同様のことを行っています。訓練された細胞では驚くほどうまく機能します。一般化が問題なのです。カソードの組成や電解質の配合を変更すると、新しいデータで再トレーニングする必要がありますが、新しい設計の寿命を予測しようとしている場合、これでは目的が果たせなくなります。

cycle life

LFP は NMC よりもサイクル寿命が優れています。 3,000-5,000 サイクルを簡単に取得でき、場合によってはそれ以上のサイクルを取得できます。ただし、エネルギー密度のペナルティは非常に大きく、-高ニッケル NMC と比較すると 30～40% の損失になります。中国メーカーは、300+マイルの航続距離を必要としない安価なEVには、このトレードオフが合理的であると判断した。 BYD、CATL、そこにいる全員が標準範囲の車両用の LFP を行っています。欧米の OEM はこれを採用するのが遅れています。文化の違いなのか、市場の違いなのか、あるいはその両方なのかはわかりません。

CATL と Natron の主張に基づくと、ナトリウム-イオンのサイクル寿命は LFP と同様であるはずですが、製造されてからまだ 1 年ほどしか経っていないため、現場で 5+ 年後に何が起こるかは誰にも分かりません。

固体-は、液体電解質がないため界面がより安定しているため、サイクル寿命の向上が期待され続けています。しかし、それらは依然として商業的に入手可能ではありません。 QuantumScapeは約6年間「2年先」になっています。界面抵抗、サイクリング中の接触損失、一部の設計におけるリチウム樹枝状結晶-これらの問題は、誰もが考えていたよりも困難です。おそらく、硫化物電解質は酸化物よりもうまく機能するでしょう。日本から出てくるデータは、その可能性を示唆している。

cycle life

これは無視されることが多いですが、あまり運転されない車両にとっては非常に大きな問題です。バッテリーはそこに置いているだけで劣化します。保管温度と SOC は両方とも重要です。最悪の場合、高温で 100% 充電すると-何もしないと年間で数パーセントポイントが失われます. 40室温での SOC % は最適な保存方法ですが、実際に使用する車には明らかに実用的ではありません。

グリッドストレージはまったく異なるものです。 20+ 年の寿命が必要です。これは、毎日複数のサイクルを実行する場合は、最小で 7000+ サイクル、おそらく 10 サイクル、000+ を意味します。ただし、エネルギー密度が低くても許容できるため、熱管理のためのスペースが広がります。経済学の仕組みは異なります。-数十年にわたって償却する場合、設備投資は運用コストに比べてより重要になります。

新しいバッテリーの種類については、あまり役に立つとは言えないほど知識がありません。リチウム-硫黄のサイクル寿命は依然として多硫化物シャトルのせいでひどいものですが、一部の企業はそれを解決したと主張しています。固体電解質と組み合わせたリチウム-金属アノードが前進する可能性がありますが、デンドライトの問題は解決していません。そして、たとえ材料が機能したとしても、新しいものを製造規模を拡大するには最低でも 5- 年かかります。したがって、次に何が起こるとしても、少なくともあと10年間はリチウムイオンのバリエーションに悩まされることになる。

リチウムポリマー電池温度を適切に保った場合、-円筒形電池よりも優れたパッケージングの柔軟性と、標準のリチウムイオンに匹敵するサイクル寿命{1}}の中間に位置します。限られたスペースには適切なオプションですが、革新的なものではありません。