Блог около Данные за десятилетие выявили недостатки в моделях старения литий-ионных аккумуляторов

Современные литий-ионные аккумуляторы, движущая сила электромобилей и систем накопления энергии в сети, сталкиваются с невидимым противником в течение большей части своей бездействующей жизни. В то время как эти аккумуляторы проводят примерно 90% своего существования в хранении — например, в припаркованных электромобилях — они продолжают деградировать в процессе, называемом календарным старением, когда паразитные реакции постепенно снижают емкость и увеличивают сопротивление.

Понимание календарного старения представляет собой уникальную временную проблему — для сбора значительных данных о деградации при комнатной температуре требуются годы. Ученые обычно обходят это, собирая данные при экстремальных температурах в течение более коротких периодов, а затем экстраполируя их с помощью моделей ускоренного старения. Эти модели традиционно опираются на два фундаментальных принципа: t ^0.5 временная зависимость (отражающая диффузионно-ограниченный рост слоя твердого электролитного интерфейса) и температурная зависимость типа Аррениуса.

В то время как многочисленные исследования первоначально поддерживали эти традиционные модели для различных химических составов аккумуляторов — включая графитовые аноды в сочетании с никель-марганцево-кобальтовыми (NMC) или литий-железо-фосфатными (LFP) катодами — новые исследования выявляют значительные отклонения. Некоторые аккумуляторы демонстрируют альтернативные степенные временные зависимости (t ^b ), в то время как другие сохраняют поведение Аррениуса по температуре, но отказываются от зависимости t ^0.5 . Эти несоответствия предполагают более сложные механизмы деградации, которые могут включать рост интерфейса катод-электролит, растворение переходных металлов или коррозию медного токосъемника.

Большинство исследований календарного старения охватывают от нескольких месяцев до пяти лет, однако реальные аккумуляторы требуют десятилетней производительности. Недавние исследования с увеличенной продолжительностью выявляют критические выводы:

• Пассивные эффекты нависания анода уменьшаются через год, уступая место линейным тенденциям старения
• Показатели степенной функции резко меняются со временем, аналогично «точкам перегиба», наблюдаемым при циклическом старении
• Отклонения от Аррениуса проявляются только в более длительные сроки

Эти результаты показывают, что модели, проверенные с использованием краткосрочных данных, могут существенно искажать долгосрочную деградацию.

Прорывное исследование, анализирующее 232 аккумулятора восьми типов, четырех химических составов и пяти производителей в течение 13 лет, выявляет несколько меняющих парадигму выводов:

• Температурная зависимость меняется неожиданно: Значительные отклонения от Аррениуса наблюдаются даже среди аналогичных аккумуляторов одного и того же производителя, что потенциально может привести к многолетним ошибкам прогнозирования старения при комнатной температуре.
• Временная зависимость развивается: Идеализированная зависимость t ^0.5 уступает место менее самопассивирующимся значениям, со значительными различиями в зависимости от химического состава.
• Различные пути деградации: Емкость и мощность снижаются по разным, некоррелированным траекториям.
• Индивидуальность имеет значение: Различия между ячейками составляют существенные различия в деградации, подчеркивая необходимость анализа отдельных ячеек наряду с общими тенденциями.

Эти результаты требуют фундаментальной переоценки моделей старения аккумуляторов и стратегий управления. Будущие направления исследований должны отдавать приоритет:

• Разработке моделей старения следующего поколения, включающих несколько механизмов деградации и машинное обучение
• Оптимизации систем управления аккумуляторами на основе уточненного понимания календарного старения
• Улучшению стабильности производства для уменьшения разброса между ячейками
• Изучению новых материалов и конструкций с повышенной долговечностью

Поскольку мир переходит к электрификации и хранению возобновляемой энергии, точное прогнозирование и смягчение старения аккумуляторов становится все более важным. Это исследование закладывает основу для разработки более долговечных и надежных решений для хранения энергии, которые будут питать наше устойчивое будущее.