Основы литий-ионных аккумуляторов: как они работают, почему выходят из строя и как это предотвратить

Если вы укажете или источник литий-ионные аккумуляторыпонимание основ не является обязательным. Выбор элементов, конструкция упаковки и решения по управлению батареями влияют на безопасность продукта, гарантийные расходы и срок эксплуатации непосредственно и в течение многих лет после подписания заказа на поставку.

В этом руководстве рассказывается, как работают литий-ионные аккумуляторы, что приводит к их выходу из строя и что нужно сделать, чтобы предотвратить выход из строя в коммерческих и промышленных целях. Мы пишем это со стороны производства: что мы проверяем во время квалификации ячеек и производственного контроля, и что мы просим клиентов подготовить, прежде чем мы приступим к разработке упаковки.

Суммируя: Литий-ионный элемент накапливает энергию, перемещая ионы лития между графитовым анодом и металлическим оксидным или фосфатным катодом через жидкий электролит. NMC дает самую высокую плотность энергии. LFP обеспечивает лучшую термическую стабильность и самый длительный срок службы. И почти каждый вид сбоя, описанный ниже, можно предотвратить с помощью выбора источника питания, конструкции упаковки и настроек защиты BMS, а не невезения.

Почему литий-ионные аккумуляторы являются доминирующим выбором

Литий-ионные аккумуляторы вытеснили свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и никель-металлогидридные химические соединения в большинстве применений, и это произошло не случайно. Причины сводятся к плотности энергии, сроку службы и эксплуатационным расходам.

Плотность энергии

Нет эффекта памяти

В отличие от никель-кадмиевых, литий-ионные элементы не страдают от “эффект памяти.” Их можно заряжать или разряжать в любом состоянии без долгосрочной потери емкости, что упрощает управление зарядом в переменных рабочих циклах.

Более длительный срок службы & Более глубокая полезная емкость

Литий-ионные аккумуляторы превосходят свинцово-кислотные и никелевые химические аккумуляторы в условиях высоких циклов, иногда с большим отрывом.

В частности, элементы LFP могут превысить 3000 циклов при глубине разряда 80 процентов, в то время как свинцово-кислотная батарея за тот же рабочий цикл может достигать нескольких сотен.

Почему разрыв настолько велик: свинцово-кислотные аккумуляторы обычно должны поддерживать уровень заряда выше примерно 50 процентов, чтобы продлить срок службы, в то время как литий-ионные аккумуляторы могут безопасно использовать от 80 до 100 процентов своей номинальной емкости. Видеть каков срок службы батареи о том, как глубина разряда и скорость заряда меняют это число на практике.

Более низкая токсичность

Аккумуляторы LFP не содержат кобальта или тяжелых металлов, поэтому они менее токсичны, чем литий-ионные батареи на основе кобальта.

Низкий саморазряд

Литий-ионные элементы саморазряжаются со скоростью от 1 до 3 процентов в месяц. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные элементы теряют от 10 до 15 процентов в месяц, просто находясь на полке. Эта разница имеет значение для резервного питания и сезонного оборудования.

Замена свинцово-кислотной системы?

Покупатели, отказывающиеся от свинцово-кислотной продукции в вилочных погрузчиках, резервных энергоблоках, резервных системах и морском оборудовании, задают более конкретный вопрос, чем “какой химический состав имеет более высокую плотность энергии.”

Напряжение разряда свинцово-кислотной кислоты постепенно падает в процессе ее разряда. Литий-ионный аккумулятор сохраняет стабильное выходное напряжение почти до полного разряда и не требует долива воды или выравнивающей зарядки.

Равномерное напряжение, большая полезная емкость, отсутствие обслуживания: именно эта комбинация объясняет, почему литий-ионный аккумулятор, рассчитанный на заданную емкость, обеспечивает больше полезной энергии в меньшем и легком корпусе, чем свинцово-кислотный аккумулятор той же номинальной емкости. Полную информацию, включая плотность энергии, время зарядки, температурные характеристики, условия хранения и общую стоимость, см. Литий против свинцово-кислотного: выбор правильного аккумулятора.

Как работают литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионный элемент состоит из четырех основных компонентов. О том, как эти компоненты собираются в готовый пакет, включая шины, корпуса и разъемы, см. полное руководство по компонентам литий-ионных аккумуляторов.

Зарядка приводит в действие внешний источник питания, который выталкивает ионы лития из материала катода. Ионы проходят через электролит и вставляются в графитовый анод, в то время как электроны одновременно движутся по внешней цепи от катода к аноду.

Разрядка просто меняет ситуацию. Ионы лития покидают графитовый анод и возвращаются через электролит к катоду, электроны текут через внешнюю цепь в другую сторону, и именно этот поток электронов питает нагрузку.

Это обратимое движение ионов между электродами делает литий-ионные батареи перезаряжаемыми. Именно эта химия принесла Джону Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Ёсино Нобелевская премия по химии 2019 г..

Общий химический состав катода

Материал катода оказывает наибольшее влияние на производительность, безопасность и стоимость элемента.

Оксид лития-кобальта (LCO)

Высокая плотность энергии, относительно низкая термическая стабильность. Используется в основном в бытовой электронике, такой как смартфоны и ноутбуки, где плотность энергии является приоритетом, а размер батареи ограничен. Менее распространен в промышленности или в условиях большого цикла из-за более короткого срока службы и более высокой чувствительности к нагреву.

Оксид лития-марганца (LMO)

Лучшая термическая стабильность, чем у LCO. Используется в некоторых электромобилях и электроинструментах, хотя плотность энергии у него ниже, чем у NMC или NCA.

Литий, никель, кобальт, оксид алюминия (NCA)

Очень высокая плотность энергии, используется в высокопроизводительных электромобилях. Требуется строгий температурный контроль из-за более высокой чувствительности к теплу.

Литий, никель, марганец, оксид кобальта (NMC)

Наиболее широко используемый химический состав в промышленных и коммерческих электромобилях. Он хорошо балансирует плотность энергии, срок службы и термическую стабильность и поставляется в нескольких вариантах соотношения (NMC 111, NMC 532, NMC 622, NMC 811), в каждом из которых плотность энергии сочетается с термической стабильностью и стоимостью.

Литий-железо-фосфат (LFP)

Более низкая плотность энергии, чем у NMC или NCA, но заметно лучшая термическая стабильность и срок службы. Отсутствие содержания кобальта, что снижает стоимость сырья и риски в цепочке поставок. Это предпочтительный выбор для стационарных хранилищ, коммерческих электромобилей, морского оборудования и промышленного применения, где запас безопасности и срок службы имеют большее значение, чем компактный размер. Полную параллельную разбивку см. LFP против NMC: руководство по инженерному сравнению.

Что вызывает выход из строя литий-ионного аккумулятора

Любой, кто определяет, проектирует или эксплуатирует системы литий-ионных аккумуляторов, должен понимать эти семь механизмов отказа. Более подробно о том, как они отображаются в виде возвратов на месте и гарантийных претензий, см. Причины выхода из строя литиевого аккумулятора и понимание безопасности литий-ионных аккумуляторов.

1. Испарение электролита и повышение давления

Органический электролит в литий-ионном элементе имеет относительно низкую температуру кипения. Если ячейка достигает чрезмерной температуры, обычно превышающей 60°C, электролит начинает испаряться и выделять газ, что повышает внутреннее давление и вызывает разбухание или вздутие ячейки.

Вздувшийся элемент является предупредительным знаком об опасных условиях и должен быть немедленно выведен из эксплуатации.

2. Плавка сепаратора

Разделителем между катодом и анодом обычно является полиэтилен, полипропилен или их слоистая комбинация. Полиэтилен начинает размягчаться и закрываться при температуре от 130 до 135°C, закрывая поры и останавливая поток ионов, прежде чем ситуация ухудшится. Полипропилен сохраняет свою структуру при более высокой температуре, около 165°C. Вот почему многие коммерческие сепараторы помещают слой полиэтилена между слоями полипропилена: полиэтилен отключается раньше, в то время как полипропилен сохраняет физический барьер неповрежденным немного дольше.

Когда сепаратор расплавляется или выходит из строя в результате другого вида отказа, катод и анод вступают в прямой контакт и создают внутреннее короткое замыкание. Это приводит к быстрому выделению тепла и может вызвать тепловой разгон.

3. Выделение кислорода и тепловой разгон.

При высоких температурах катодные материалы на основе оксидов, включая LCO, LMO, NMC и NCA, выделяют кислород. Этот кислород вступает в реакцию с испаренным электролитом и вызывает неконтролируемую экзотермическую реакцию. Тепло от этой реакции ускоряет дальнейшее выделение кислорода и распад электролита, и цикл питается сам собой: это термический побег. Если оно началось, остановить его без вмешательства извне крайне сложно.

Ячейки LFP противостоят тепловому неконтролю намного лучше, чем альтернативы, поскольку структура фосфата железа не выделяет кислород при термическом стрессе.

4. Перезарядка и образование дендритов

Зарядка элемента сверх максимального напряжения заставляет лишние электроны соединяться с ионами лития на поверхности анода, вместо того, чтобы позволить этим ионам должным образом внедриться в структуру графита. При этом образуются отложения металлического лития, называемые дендритами, которые со временем прорастают в электролите и могут пробить сепаратор, создавая внутреннее короткое замыкание.

Точный контроль напряжения и защита от перезарядки в системе управления батареями являются основной защитой от этого режима сбоя.

5. Литиевое покрытие от зарядки при низких температурах

При низких температурах ионы лития медленнее движутся через электролит. Зарядка высоким током в холодных условиях требует, чтобы ионы внедрялись в графитовый анод быстрее, чем это физически возможно, поэтому избыток лития откладывается на поверхности анода в виде металлического лития, а не поглощается графитом.

Такое покрытие постоянно снижает емкость, а также может создать риск короткого замыкания, если отложения пройдут через сепаратор.

Любое приложение, работающее в холодных условиях, нуждается в защите заряда, привязанной к температуре. Общее правило: снижайте зарядный ток значительно ниже 0°C и вообще избегайте зарядки при температуре ниже -20°C для большинства химических литий-ионных аккумуляторов.

6. Разряд ниже минимального напряжения

Понижение напряжения литий-ионного элемента ниже минимального значения приводит к тому, что медный токосъемник на аноде начинает растворяться в электролите. Когда после этого элемент перезаряжается, растворенная медь может повторно отложиться, но не в виде первоначальной однородной фольги. Неравномерные отложения меди создают внутренние короткие замыкания.

Чтобы предотвратить это, система управления батареями должна обеспечить ограничение минимального напряжения элемента. Для большинства литий-ионных химических элементов это минимальное напряжение составляет от 2,5 до 2,8 В. Для LFP типичное минимальное напряжение составляет 2,5 В.

7. Производственные дефекты и загрязнения.

Загрязнение частицами, попадающее в процессе производства клеток, является одной из наиболее частых причин выхода из строя клеток на ранних этапах жизни. Металлические частицы или другие загрязнения внутри элемента создают локальные внутренние короткие замыкания, которые проявляются в виде потери емкости, необычного саморазряда или, в тяжелых случаях, термического явления.

Приобретение элементов от производителей с документированным и поддающимся проверке контролем качества — это решение о закупках, которое влияет на безопасность, а не просто на стоимость.

Предотвращение выхода из строя батареи: три линии защиты

Строка 1: Качество клеток

Cell quality is the foundation everything else sits on. Not all cells built to the same specification perform the same way; differences in process control, raw material purity, and inspection standards show up as real differences in field reliability.

When evaluating cell suppliers:

1. Request and verify UN 38.3 transport test reports.
2. Confirm cell level certifications such as UL 1642 or IEC 62133.
3. Assess the manufacturer’s quality management system at the facility level.
4. Request capacity and internal resistance data across a full production batch, not just a handful of samples.
5. Understand how the supplier inspects incoming raw materials.

Line 2: Battery Pack Design

A well designed pack manages heat, spreads current evenly, and contains the consequences of a single cell failure.

Термический менеджмент. Элементы генерируют тепло во время зарядки и разрядки, и, если нет возможности отвести это тепло, оно накапливается между элементами и ускоряет деградацию. Приложения высокой мощности обычно нуждаются в активном охлаждении: жидкостном или принудительном воздушном.

Текущее распространение. В конфигурациях с параллельными элементами из-за неравномерной прокладки кабелей и сопротивления контактов некоторые элементы пропускают больший ток, чем другие, что приводит к неравномерному старению всей батареи. Конструкция шин и прокладка кабелей должны быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать этот дисбаланс.

Сдерживание неисправности. Конструкция упаковки должна ограничивать степень распространения теплового события в одной ячейке на соседние ячейки. Расстояние между ячейками, тепловые барьеры и вентиляционные пути являются здесь стандартными инструментами.

Соответствие ячеек. Элементы в блоке должны быть согласованы по емкости и внутреннему сопротивлению, поскольку несовпадающие элементы, соединенные последовательно, создают дисбаланс и быстрее изнашивают более слабые элементы.

Строка 3: Система управления батареями

The система управления аккумулятором является основным уровнем активной защиты. Правильно настроенная BMS отслеживает параметры уровня ячейки в режиме реального времени и вмешивается до того, как условия перерастут в сбой.

Защита по напряжению

Защита от перенапряжения отключает цепь заряда, когда какая-либо ячейка достигает максимального напряжения, обычно 4,20 В на ячейку для NMC и 3,65 В на ячейку для LFP.

Защита от пониженного напряжения отключает нагрузку, когда напряжение любого элемента падает ниже минимального значения, обычно от 2,5 до 2,8 В для большинства литий-ионных химических элементов и 2,5 В для LFP.

Токовая защита на уровне блока также имеет значение, а не только на уровне отдельных ячеек: устойчивая перегрузка по току приводит к нагреванию кабелей и контактов независимо от того, какое напряжение показывает любая отдельная ячейка.

Температурная защита

Отключение при высокой температуре отключает зарядку и разрядку, когда температура элемента превышает безопасные пределы, обычно от 45 до 50°C при зарядке и от 60 до 70°C при разрядке, в зависимости от химического состава.

Защита от низкой температуры прекращает зарядку при температуре ниже минимальной безопасной для используемых химикатов. Большинство литий-ионных элементов не должны заряжаться при температуре ниже 0°C при стандартных скоростях, хотя некоторые элементы с определенным составом электролита допускают ограниченную зарядку до минус 20°C при пониженном токе. Уточните фактический минимум у производителя элемента и установите BMS соответствующим образом, поскольку он зависит от продукта.

Балансировка клеток

Последовательно соединенные элементы со временем расходятся по состоянию заряда из-за небольших производственных различий в емкости и скорости саморазряда. Без балансировки этот дрейф накапливается до тех пор, пока самая слабая ячейка не ограничит производительность всей группы.

Пассивная балансировка отводит избыточную энергию из более заряженных ячеек через резисторы в виде тепла. Это просто и дешево, но тратит энергию на большие дисбалансы.

Активная балансировка перемещает энергию от ячеек с более высоким зарядом к клеткам с более низким зарядом. Это стоит дороже и усложняет работу, но это лучший выбор для цепочек больших серий или для применений, где важен максимальный срок службы.

Аналитика производства: как это выглядит на производстве

Понимание описанных выше режимов отказа – это одно. Другое дело — поймать их в производственном цикле в несколько тысяч упаковок. Вот как на практике выглядят три линии защиты на нашей линии.

Квалификация ячеек происходит до того, как будет построен один пакет. Химический состав и формат (цилиндрический, пакетный или призматический) сначала выбираются с учетом требований к мощности, циклическому циклу и тепловым требованиям приложения, а не с учетом того, какой элемент является самым дешевым в этом квартале. Ячейки-кандидаты проходят сравнительный анализ плотности энергии, удельной мощности, срока службы и безопасности, прежде чем будет окончательно определен поставщик. Полный процесс выбора и квалификации ячеек см. Производство литиевых батарей по индивидуальному заказу: комплексное техническое руководство по процессу.

Три контрольно-пропускных пункта, а не один. Входной контроль качества (IQC) проверяет емкость ячейки, профиль напряжения и классификацию до того, как какая-либо ячейка поступит в линию. Внутрипроцессный контроль качества (IPQC) отслеживает статистические параметры контроля процесса и уровень дефектов на каждом этапе сборки. Окончательный контроль качества продукции (FPQC) включает проверку размеров, проверку емкости и внутреннего сопротивления, а также поточный рентгеновский контроль качества внутренних сварных швов и межсоединений перед отправкой упаковки. Провалите любой из этих трех контрольных пунктов, и ячейка или стая не выйдут за дверь.

Документацию по классификации ячеек стоит запросить и проверить независимо. Элементы, сходящие с производственной линии, классифицируются и группируются по проверенной емкости, импедансу и профилю напряжения, и не каждый элемент соответствует спецификациям высшего уровня. Клетки класса B, продаваемые как класс A, являются документально подтвержденным примером мошенничества в цепочке поставок клеток. Видеть Классификация аккумуляторных элементов: как обнаружить мошенничество категории B в вашей цепочке поставок о том, как поймать его до того, как он достигнет вашего продукта.

Допуски сборки суммируются по всей упаковке. Шины затягиваются в соответствии с точными спецификациями и проверяются в ходе процесса. Размещение материала термоинтерфейса, конформное покрытие и заливка выполняются в соответствии с определенными критериями приемки. Почему так строго: небольшое изменение на элемент становится настоящим недостатком в надежности, если его распространить на упаковку из нескольких сотен ячеек, не говоря уже о производственном цикле в несколько тысяч упаковок.

Соответствующие стандарты

Знание того, какие стандарты применяются к продукту, важно для обеспечения соответствия требованиям и доступа на рынок. Чем отличаются стандарты UN 38.3, IEC 62133 и IEC 62619 и какой из них действительно нужен вашему продукту, см. UN38.3, IEC 62133 и IEC 62619: руководство по обеспечению соответствия аккумуляторов для OEM-покупателей.

Уровень ячейки

Уровень пакета

Аппаратное и программное обеспечение BMS

Транспорт

UL 991 и UL 1998 не являются обязательными для включения в упаковочные листы UL 2054 или UL 1973. If a BMS is not separately listed to these standards, fault condition testing is required to show that BMS failures do not create dangerous conditions. That testing happens as part of the pack level certification process. Confirm the exact requirements with a certification body based on target markets and application.

Ready to Specify a Pack? What We Need From You, and What Happens Next

Information to have ready before you request a quote. The faster we can qualify cells and start engineering against real requirements, the faster you get a workable design back. At minimum, have these ready:

1. Voltage and capacity targets, or the load profile if the spec isn’t settled yet.
2. Physical constraints: maximum footprint, weight limit, mounting orientation.
3. Целевой срок службы и ожидаемый рабочий цикл, включая частоту зарядки и разрядки, а также глубину разряда.
4. Условия эксплуатации: диапазон температур, влажность, вибрация, воздействие воды или пыли.
5. Целевые сертификаты для вашего рынка, такие как UL, IEC, UN 38.3 или CE, а также любые требования безопасности, специфичные для клиента.
6. Ожидаемый объем заказа и сроки, поскольку оба фактора влияют на выбор поставщиков и планирование производства.

Как наша команда инженеров взаимодействует с вашей. Индивидуальный пакет проходит через квалификацию и сравнительное тестирование ячеек, электротехническое и механическое проектирование, создание прототипа для проверки конструкции, испытания на сертификацию безопасности и запуск производства с использованием процесса контроля качества с тремя контрольными точками, описанного выше. Ваша команда принимает участие на каждом этапе: проверяет данные испытаний прототипа, утверждает план сертификационных испытаний и утверждает первую проверку изделия перед запуском полного производства.

Общие вопросы по спецификациям

Какова наиболее распространенная причина выхода из строя литий-ионных аккумуляторов в коммерческих целях?

Наиболее распространенными причинами являются производственные дефекты от поставщиков элементов более низкого качества, неправильные настройки защиты BMS и недостатки управления температурным режимом в конструкции упаковки. Качество сотовой связи и спецификация BMS — две области, оказывающие наибольшее влияние на надежность.

Каково минимальное напряжение для литий-ионного элемента?

Для большинства ячеек NMC и NCA минимальное напряжение разряда составляет от 2,5 до 2,8 В на ячейку. Для ячеек LFP оно обычно составляет 2,5 В на ячейку. Разряд ниже этих порогов вызывает растворение меди из анодного токоприемника, что может вызвать внутренние короткие замыкания при следующем заряде. BMS должна обеспечить соблюдение этих ограничений.

Можно ли заряжать литий-ионные аккумуляторы при низких температурах?

Большинство стандартных литий-ионных элементов не следует заряжать при температуре ниже 0°C при нормальной скорости из-за риска образования литиевого покрытия на аноде. Некоторые элементы поддерживают ограниченную зарядку со сниженной скоростью до минус 20°C, в зависимости от состава электролита. Уточните минимальную температуру зарядки у производителя элемента и установите соответствующее значение отсечки низкой температуры BMS.

Какая литий-ионная химия наиболее безопасна для промышленного применения?

LFP, как правило, является самым безопасным выбором для промышленного использования. Его катод из фосфата железа не выделяет кислород при термическом стрессе, который является основной причиной термического выхода из-под контроля в химических соединениях на основе оксидов. LFP также выдерживает гораздо больше циклов, чем NMC или NCA, что имеет значение для общей стоимости владения в промышленных приложениях с большим циклом.

Related Reading

• Литий-ионные аккумуляторы
• LiFePO4 батареи
• Custom Lithium Battery Pack: Design & Manufacturing Guide
• Жизненный цикл литиевой батареи Q&A: Экспертное инженерное руководство
• UN38.3 vs IEC 62133 vs IEC 62619: Battery Compliance Guide for OEM Buyers
• Lithium vs. Lead Acid: Choosing the Right Battery
• Классификация аккумуляторных элементов: как выявить мошенничество категории B в вашей цепочке поставок
• Tools: mAh/Ah to Wh Conversion Calculator и Wh to mAh/Ah Conversion Calculator