Τα συνεχόμενα υψηλά επίπεδα φόρτισης βλάπτουν τα κύτταρα LFP

Σύμφωνα με μια νέα μελέτη που συντάχθηκε από τον ερευνητή μπαταριών της Tesla, Jeff Dahn, οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι φόρτισης σε υψηλότερη κατάσταση φόρτισης, μπορούν να βλάψουν τα κύτταρα LFP με την πάροδο του χρόνου. Τι σημαίνουν τα νέα ευρήματα στην καθημερινή ζωή;

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Journal of The Electrochemical Society. Σε αυτό, οι συγγραφείς όχι μόνο αναφέρουν ότι η λειτουργία σε υψηλά επίπεδα φόρτισης είναι επιβλαβής για τα κύτταρα LFP μακροπρόθεσμα, αλλά εξηγούν επίσης λεπτομερώς, πώς ακριβώς συμβαίνει η απώλεια χωρητικότητας στο στοιχείο.

Όπως και στις κυψέλες NMC με νικέλιο, μαγγάνιο και κοβάλτιο στην κάθοδο, η τάση στα κύτταρα LFP αυξάνεται με υψηλότερο επίπεδο φόρτισης, αλλά με διαφορετική καμπύλη. Εάν προστεθεί αυξημένη θερμοκρασία στην υψηλή τάση (π.χ. κατά τη ταχεία φόρτιση με υψηλό επίπεδο φόρτισης), οι αντιδράσεις στο στοιχείο, ειδικά στον ηλεκτρολύτη, μπορεί να σχηματίσουν επιβλαβείς ενώσεις.

Αυτά στη συνέχεια εναποτίθενται στην άνοδο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, πράγμα που σημαίνει ότι μέρη της επιφάνειας της ανόδου, δεν είναι πλέον διαθέσιμα για την ηλεκτροχημική αντίδραση που είναι πραγματικά επιθυμητή στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Με άλλα λόγια, η χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα του κυττάρου μειώνεται, επειδή τα ιόντα λιθίου δεν μπορούν πλέον να «προσκολληθούν» στην επιφάνεια που καλύπτεται από τις εναποθέσεις, αλλά μόνο στις περιοχές που δεν επηρεάζονται από τις εναποθέσεις.

«Σε υψηλότερο SoC, υπάρχει υψηλότερη τάση, οι αρνητικές αντιδράσεις που επαναλαμβάνονται εντός του ηλεκτρολύτη επιταχύνονται, καταναλώνοντας το απόθεμα λιθίου», είπαν οι συγγραφείς. «Η διεργασία κοντά στην κορυφή της φόρτισης (75%–100% SOC) είναι επιζήμια για τις κυψέλες LFP/γραφίτη.

Τα αποτελέσματά μας δείχνουν μια συσχέτιση μεταξύ του μέσου SOC λειτουργίας της μπαταρίας και του ρυθμού εξασθένισης χωρητικότητας, που σημαίνει ότι όσο χαμηλότερο είναι το μέσο SOC, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια ζωής. Επομένως, ο χρόνος που δαπανάται σε υψηλές καταστάσεις φόρτισης, είναι κρίσιμος να ελαχιστοποιηθεί».

Ένα πράγμα είναι σαφές: αυτή η έρευνα έρχεται σε αντίθεση με τις συστάσεις των κατασκευαστών αυτοκινήτων να φορτίζουν τις μπαταρίες LFP στο 100 τοις εκατό τακτικά. Στο εγχειρίδιο για τις εκδόσεις LFP του Model 3 και του Model Y, η Tesla συνιστά τη φόρτιση του οχήματος στο 100% τουλάχιστον μία φορά την εβδομάδα, ενώ η Ford συνιστά μία φορά το μήνα.

Αυτή η «σύγκρουση» εξηγείται εύκολα: για τη μελέτη, η ερευνητική ομάδα ανέλυσε μόνο τη διάρκεια ζωής ή τη διατήρηση χωρητικότητας εντός της κυψέλης LFP, ενώ οι κατασκευαστές οχημάτων, επικεντρώνονται σε ολόκληρο το αυτοκίνητο και ο πελάτης ωφελείται, σε αυτήν την περίπτωση, όπως στο σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (BMS). Εκεί παίζει ρόλο η προαναφερθείσα διαφορετική καμπύλη τάσης των κυψελών LFP.

Τα συστήματα μπαταριών LFP, πρέπει να βαθμονομούνται τακτικά λόγω της πιο επίπεδης καμπύλης τάσης, έτσι ώστε το BMS να έχει ένα σταθερό σημείο. Θεωρητικά θα ήταν επίσης δυνατό σε κενή κατάσταση, δηλαδή με μηδέν τοις εκατό SoC. Ωστόσο, είναι δύσκολο να πειστούν οι πελάτες να οδηγούν το ηλεκτρικό τους αυτοκίνητο εντελώς άδειο μία φορά την εβδομάδα ή το μήνα. Στη συνέχεια, το BMS γνωρίζει το ακριβές επίπεδο φόρτισης όλων των κυψελών και μπορεί στη συνέχεια να καθορίσει το επίπεδο φόρτισης και το υπόλοιπο εύρος με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Το συμπέρασμα των συγγραφέων της μελέτης, πρέπει επίσης να εξεταστεί σε αυτό το πλαίσιο. Από τη μία πλευρά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η λειτουργία σε επίπεδα φόρτισης από μηδέν έως 25 τοις εκατό, επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της κυψέλης μπαταρίας LFP. Από την άλλη, γράφουν: «Υπάρχει σαφώς μια αντιστάθμιση μεταξύ της χρήσιμης χωρητικότητας και της διατήρησης της χωρητικότητας.

Οι συγγραφείς συνιστούν επομένως να μην αλλάξουν οι συνήθειες φόρτισης. Είναι πιθανό ότι ευρήματα όπως αυτά να συμβάλουν στο να προσαρμόσουν οι κατασκευαστές αυτοκινήτων τις συστάσεις φόρτισης στο μέλλον.

Πηγές: iop.org , insideevs.de