Wyniki badań naukowych na temat trwałości akumulatorów litowo-jonowych z katodą typu LiFePO₄ i grafitową anodą przeprowadzone w Szwecji wyłoniły główne czynniki wpływające na ubytek pojemności

Jens Groot - doktorant na szwedzkiej prywatnej uczelni technicznej Chalmers University of Technology - opublikował niedawno niezwykle interesującą pracę badawczą State-of-Health Estimation of Li-ion Batteries: Cycle Life Test Methods, poświęconą trwałości akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w pojazdach. Jednym z głównych celów pracy było doświadczalne sprawdzenie wpływu pracy cyklicznej ogniw (dla różnych zdefiniowanych cykli ładowania/rozładowania) na ich ubytek pojemności i mocy ładowania/rozładowania.

W badaniach wykorzystano cylindryczne ogniwa litowo-jonowe z katodą typu LiFePO₄ i grafitową anodą firmy A123 Systems, jednak rezultaty najprawdopodobniej można z powodzeniem odnosić do całej rodziny LiFePO₄. Testy przeprowadzono dla pięciu typów cykli, odpowiadających w dużej mierze warunkom pracy w pojazdach hybrydowych, chociaż wiele wyników i wniosków niewątpliwie znajdzie swoje zastosowanie w pojazdach elektrycznych. Akumulatory LiFePO₄ (przede wszystkim Thunder Sky Battery/Sinopoly Battery/Winston Battery oraz China Aviation Lithium Battery Co. CALB) są od kilku lat jednymi z najczęściej stosowanych w konwersjach samochodów spalinowych na napęd elektryczny, stąd zrozumiałe jest że praca Groota cieszy się sporym zainteresowaniem nie tylko wśród profesjonalistów ale i konstruktorów amatorów.

Analizując wyniki testów okazuje się, że badania potwierdzają wysoką trwałość akumulatorów LiFePO₄, liczoną w tysiącach cykli do momentu utraty 20% pojemności początkowej (co wcale nie wyklucza ogniw z możliwości dalszej pracy). Po drugie testy różnych cykli (oznaczonych literami A, B, C, D, E) ujawniły kilka zasadniczych czynników wpływających na trwałość ogniw takich jak użytkowany zakres stanu naładowania czy temperatura.

Fragment wyników testów akumulatorów litowo-jonowych z katodą typu LiFePO₄ i grafitową anodą [1]

Na załączonym powyżej wykresie widać wyraźnie, że ogniwa w cyklach A, B i D, a więc o bardzo wąskim zakresie pracy (A od 22,6% do 50,0%, B od 32,5% do 54,0% oraz D od 28,8% do 39,1% SOC) przetrwały przynajmniej kilka tysięcy cykli ładowania/rozładowania nim ich pojemność spadła do 80% pojemności początkowej. Najwyższy rezultat uzyskano dla cyklu D o najwęższym zakresie pracy. Z drugiej strony cykle C i E o szerokim zakresie pracy (C od 11,4% do 100% oraz E od 13,0% do 100% SOC) wpłynęły na obniżenie trwałości odpowiednio do blisko 2 tys. cykli i blisko 3 tys. cykli. Wprost dowidzi to, że ograniczenie głębokości rozładowania i szerokość zakresu pracy jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o trwałości ogniw LiFePO₄. Aby móc lepiej dobrać warunki pracy akumulatorów w pojazdach elektrycznych konieczne byłyby dalsze testy dla innych wariantów, ale już na podstawie przedstawionych rezultatów można pokusić się o założenie, że niedoładowywanie akumulatorów do 100% pojemności (lub pozostawianie na zalecanym przez niektórych producentów poziomie 80%) oraz unikanie głębokich rozładowań pozwoli na długą pracę akumulatorów.

Drugą istotną rzeczą jest fakt, że testy były prowadzone dla stosunkowo wysokich prądów ładowania/rozładowania - w cyklach A i B prądy ładowania przekraczały 17 i 15 C, a prądy rozładowania 22 i 23 C, co przy średnich prądach 2,82 i 3,00 C reprezentuje skrajnie wymagające warunki, charakterystyczne dla pojazdów hybrydowych z niewielkimi pakietami akumulatorów. W przypadku pojazdów elektrycznych obciążenia są znacznie niższe co powinno zauważalnie poprawić rezultaty. W przypadku cykli C, D oraz E maksymalne prądy ładowania/rozładowania nie przekraczały 4 C. Ciekawie pod tym względem wypada porównanie głębokich cykli C oraz E, które zasadniczo różnią się wysokością średniego prądu obciążenia - 3,49 C dla cyklu C oraz 1,22 C dla cyklu E. Potencjalnie to właśnie ta różnica w największym stopniu wpłynęła na różnicę trwałości.

Trzecim czynnikiem, nad którym warto się pochylić jest temperatura otoczenia. O ile dla cyklu C wyniki dla 23°C i 35°C są zbieżne, o tyle dla cyklu A różnica jest już bardzo duża na korzyść 35°C. Akumulatory LiFePO₄ generalnie charakteryzują się w wyższych temperaturach lepszymi osiągami niż w niższych temperaturach, nie należy ich ładować poniżej 0°C, a biorąc pod uwagę potencjalną możliwość ograniczenia ich degradacji nie pozostaje nic innego jak zadbanie o ocieplenie pakietu.

Powyższe wyniki wydają się być bardzo budujące dla branży pojazdów elektrycznych, ponieważ każdy tysiąc cykli przy dystansie rzędu 100 km oznacza przebieg 100 tys. km. Jeżeli akumulatory wytrzymują (do utraty 20% pojemności) 2-3 tys. cykli w wariantach C i E, w których występowały wysokie maksymalne prądy ładowania/rozładowania oraz każdorazowo ładowanie do 100% pojemności i głębokie rozładowanie, kwestią otwartą pozostaje jakie dystanse uda się przejechać na jednym pakiecie. Teoretycznie mogą być to wartości tak wysokie, że akumulatory przeżyją sam pojazd i będą przekładane do następnego. Przy potwierdzeniu takich wyników bardziej wiarygodne stałyby się deklarowane przebiegi samochodów BYD e6, które według chińskiego producenta będą mogły przejechać setki tysięcy kilometrów - 4 tys. cykli do ubytku 25% pojemności (wcześniejszy wpis).

W badaniach Groot przedstawił również wyniki ubytku dostępnej mocy akumulatorów. W przypadku mocy ładowania spadła ona o około 10% wartości początkowej dopiero po blisko 2 tys. cykli wariantu C. W pozostałych przypadkach ubytek był jeszcze niższy i w zasadzie nie stanowi istotnego problemu. Co ciekawe, dostępna moc rozładowania nawet po tysiącach cykli nie spadała w żadnym z wariantów poniżej 95%. Bardzo stabilnie zachowywała się również sprawność ogniw, która spadała z około 95% do niecałych 94%, gdy ubytek pojemności dobijał do 20%. Kilka dodatkowych pomiarów ujawniło ponadto, że ubytek pojemności związany z przechowywaniem ogniw naładowanych do 60% wynosił co najwyżej 2-3% po roku, aczkolwiek omawiana praca zasadniczo nie dotyczyła tego zagadnienia.