El ciclo de vida es el número de ciclos de carga-descarga que realiza una batería antes de degradarse a un nivel de capacidad predefinido. Por lo general, eso es 80%, aunque he visto especificaciones por todas partes: 70% para algunas aplicaciones automotrices, 85% para otras. El umbral en sí es algo arbitrario y tiene más que ver con los cálculos de garantía que con cualquier propiedad fundamental de la química de la batería.
¿Por qué las baterías se degradan?
La capa SEI sobre ánodos de grafito es probablemente el mecanismo de degradación más estudiado en las baterías de iones de litio-. Cuando carga la celda por primera vez, el electrolito se descompone en la superficie del ánodo y forma esta película sólida-principalmente carbonato de litio, algo de fluoruro de litio si usa sal LiPF6 y varias especies orgánicas. Esta capa debería estabilizarse después de algunos ciclos. No es así. Sigue creciendo, lentamente, consumiendo litio que debería estar ciclando. Hace unos años trabajé en un proyecto que intentaba estabilizar SEI con aditivos de electrolitos. FEC (carbonato de fluoroetileno) ayuda, VC (carbonato de vinileno) ayuda más. Ninguno de los dos lo soluciona del todo.
Los cátodos con alto-níquel se agrietan. NMC811, que es 80 % níquel, 10 % manganeso y 10 % cobalto, sufre cambios de volumen masivos durante el ciclo-mucho más que las composiciones NMC111 o NMC523 más antiguas. Las partículas literalmente se fracturan. Puedes verlo en SEM después de unos cientos de ciclos. CATL descubrió alrededor de 2019 que si se sintetizan partículas monocristalinas en lugar de los agregados policristalinos que todos estaban produciendo, se elimina la mayor parte del agrietamiento porque no hay límites de grano. Suena obvio ahora, pero lograr los parámetros de síntesis a escala tomó años. Creo que BYD está haciendo algo similar con su batería Blade, pero no publican mucho sobre el procesamiento de sus cátodos.
Honestamente, la temperatura importa más que cualquier otra cosa. Por cada aumento de 10 grados, aproximadamente se duplica la tasa de envejecimiento. Esto no es exacto-diferentes mecanismos tienen diferentes energías de activación-pero es lo suficientemente cercano como para realizar estimaciones de ingeniería. Una mochila que funciona a una temperatura promedio de 35 grados durará mucho más que una a 45 grados. Tesla aprendió esto temprano con el Roadster. Sus autos posteriores tienen una gestión térmica bastante agresiva, funcionarán enfriando incluso cuando estén estacionados si el paquete se calienta demasiado.
El frío es raro. La química de degradación se ralentiza, lo cual es bueno. Pero obtienes una resistencia mucho mayor y si intentas cargar demasiado rápido colocarás litio en el ánodo, lo cual es muy malo. Los depósitos de litio tienen una pérdida de capacidad irreversible y si se convierten en dendritas se puede producir un cortocircuito interno. La mayoría de los vehículos eléctricos no permiten una carga rápida de CC por debajo de 0 grados por este motivo.
Profundidad de descarga
Existe un efecto bien-conocido por el cual los ciclos superficiales prolongan la vida. Si solo usa el 40% de la capacidad de la batería en lugar del 100%, podría triplicar el ciclo de vida. Quizás más. Los mecanismos no están del todo claros. Probablemente ayuden cambios más pequeños de volumen en los electrodos. Definitivamente ayuda evitar potenciales extremos de electrodos donde las reacciones secundarias se aceleran. Pero nadie ha determinado realmente la contribución exacta de cada factor.
Cada vehículo eléctrico te oculta cierta capacidad. Cuando su panel dice 0%, probablemente tenga un SOC real del 5%. Cuando dice 100% estás en 95% o quizás 90%. Los fabricantes no publican estos números. Intenté realizar ingeniería inversa-en mi antiguo Bolt mirando los datos BMS a través del bus CAN, pero las tablas de calibración están cifradas.
Problemas con el cronograma de pruebas
Nadie quiere esperar 3-4 años para validar el diseño de una batería. Por eso hacemos pruebas aceleradas: temperaturas más altas, velocidades de ciclo más rápidas. El problema es que no todos los mecanismos de degradación se aceleran de la misma manera. Algunos lo hacen, otros no. La aceleración de temperatura funciona bastante bien para la mayoría de los procesos químicos. La aceleración de la tasa es incompleta. Y hay modos de falla que solo aparecen después de un período de tiempo prolongado en el calendario y que simplemente no se puede acelerar en absoluto.
Las últimas predicciones de ML son interesantes. Se introducen datos del ciclo inicial en un modelo y este pronostica la disminución de la capacidad-a largo plazo. Stanford publicó algunos trabajos sobre esto en 2019, Carnegie Mellon ha hecho cosas similares. Funciona sorprendentemente bien en las células en las que entrenaron. La generalización es el problema. Cambie la composición del cátodo o la formulación del electrolito y necesitará volver a capacitarse con nuevos datos, lo que en cierto modo frustra el propósito si intenta predecir la vida útil de un nuevo diseño.
Diferentes químicas
LFP tiene un mejor ciclo de vida que NMC, punto. Puede obtener 3000-5000 ciclos fácilmente, a veces más. Sin embargo, la penalización de la densidad de energía es brutal-se está perdiendo entre un 30% y un 40% en comparación con el NMC con alto contenido de níquel. Los fabricantes chinos decidieron que esta compensación tiene sentido para los vehículos eléctricos más baratos, donde la gente no necesita una autonomía de 300+ millas. BYD, CATL, todos los presentes están haciendo LFP para vehículos de rango estándar. Los fabricantes de equipos originales occidentales tardan más en adoptarlo. Diferencia cultural o diferencia de mercado o ambas, no estoy seguro.
Se supone que el -ion de sodio tiene un ciclo de vida similar al del LFP según lo que afirman CATL y Natron, pero solo ha estado en producción durante aproximadamente un año, así que quién sabe qué sucederá después de 5+ años en el campo.
El estado sólido-sigue prometiendo un mejor ciclo de vida porque la ausencia de electrolito líquido implica interfaces más estables. Pero siguen sin estar disponibles comercialmente. QuantumScape ha estado "a dos años de distancia" desde hace unos seis años. La resistencia de la interfaz, la pérdida de contacto durante el ciclo y las dendritas de litio en algunos diseños-estos problemas son más difíciles de lo que nadie pensaba. Quizás los electrolitos de sulfuro funcionen mejor que los óxidos. Los datos procedentes de Japón sugieren que tal vez.
Envejecimiento del calendario
Esto se ignora mucho, pero es enorme para los vehículos que no se conducen mucho. Su batería se degrada simplemente sentada allí. Tanto la temperatura de almacenamiento como el SOC son importantes. El peor de los casos es una carga del 100 % a alta temperatura.-Perderás varios puntos porcentuales al año sin hacer nada.. 40% de SOC a temperatura ambiente es un almacenamiento óptimo, pero obviamente no es práctico para un automóvil que realmente usas.
El almacenamiento en red es un animal completamente diferente. Necesita 20+ años de vida útil, lo que significa 7000+ ciclos como mínimo, probablemente 10,000+ si realiza varios ciclos al día. Pero puedes tolerar una menor densidad de energía y tienes más espacio para la gestión térmica. La economía funciona de manera diferente.-El CAPEX importa más en relación con el OPEX cuando se amortiza durante décadas.
No sé lo suficiente sobre los nuevos tipos de baterías para decir algo útil. El litio-azufre todavía tiene un ciclo de vida terrible debido a la lanzadera de polisulfuro, aunque algunas empresas afirman que lo han solucionado. Los ánodos metálicos de litio- combinados con electrolitos sólidos podrían ser el camino a seguir, pero el problema de las dendritas no ha desaparecido. E incluso si los materiales funcionan, ampliar la fabricación de cualquier cosa nueva lleva 5-10 años como mínimo. Entonces, pase lo que pase, estaremos estancados con variaciones de iones de litio durante al menos otra década.
No sé lo suficiente sobre los nuevos tipos de baterías para decir algo útil. El litio-azufre todavía tiene un ciclo de vida terrible debido a la lanzadera de polisulfuro, aunque algunas empresas afirman que lo han solucionado. Los ánodos metálicos de litio- combinados con electrolitos sólidos podrían ser el camino a seguir, pero el problema de las dendritas no ha desaparecido. E incluso si los materiales funcionan, ampliar la fabricación de cualquier cosa nueva lleva 5-10 años como mínimo. Entonces, pase lo que pase, estaremos estancados con variaciones de iones de litio durante al menos otra década.
Baterías de polímero de litioSituarse en algún punto intermedio-mejor flexibilidad de empaque que las celdas cilíndricas, ciclo de vida comparable al de los iones de litio-estándar si se mantienen las temperaturas razonables. Opción decente para espacios reducidos pero nada revolucionario.
