Чи погіршуються твердотільні батареї?

Чи псуються твердотільні батареї? Так, але не так, як ви могли б очікувати

Кожна батарея деградує. Будь-хто, хто продає вам акумулятор, який не працює, не продає вам акумулятор — вони продають вам історію. Справжнє питання для операторів БПЛА полягає не в тому, читвердотільні батареїруйнуються, але як вони руйнуються, як швидко та чи ця схема деградації краща чи гірша для комерційних операцій, ніж те, до чого ви звикли з літій-полімерними пакетами.

Відповіді на всі 3 питання є більш корисними, ніж прості «так» або «ні».

Як руйнуються звичайні LiPo акумулятори

Щоб зрозуміти, чому деградація твердого тіла відрізняється, корисно знати основні механізми, які обмежують термін служби акумулятора LiPo.

Окиснення електроліту є домінуючим шляхом довготривалої деградації в більшості елементів LiPo. Рідкий органічний електроліт повільно реагує з поверхнями електродів протягом повторюваних циклів заряду-розряду, утворюючи шар, який називається міжфазним твердим електролітом (SEI). Цей шар поступово збільшує внутрішній опір і споживає літій, який більше не може брати участь у накопиченні енергії, зменшуючи ємність цикл за циклом.

Покриття літієм відбувається під час швидкого або низькотемпературного заряджання, коли іони літію надходять до графітового анода швидше, ніж вони можуть поглинатися. Металевий літій відкладається на поверхні анода, зменшуючи ємність і збільшуючи ризик внутрішнього короткого замикання з часом.

Структурна втома катода виникає, оскільки багаторазове розширення та звуження електродних матеріалів під час циклу викликає мікроскопічні розтріскування частинок катода, зменшуючи площу поверхні, доступну для іонного обміну, і поступово обмежуючи ємність.

Всі 3 ці механізми поєднуються. LiPo батарея на 400 циклів не просто старша — вона накопичує пошкодження від усіх 3 шляхів одночасно.

якТвердотільні батареїДеградувати інакше

Видалення рідкого електроліту змінює те, які механізми деградації активні та наскільки швидко вони прогресують.

Окислення електролітів різко знижується. Тверді електроліти не реагують з поверхнями електродів так само, як рідкі електроліти. Формування SEI, яке споживає ємність літію в елементах LiPo, або не утворюється, або утворюється набагато повільніше в твердотільних елементах. Це головна причина, чому твердотільні батареї демонструють краще збереження ємності протягом більшої кількості циклів — вони не втрачають літій через зростання SEI з такою ж швидкістю.

Зміна динаміки літіювання. У твердотільних елементах із використанням металевих літієвих анодів, літієвих пластин і смужок є частиною нормальної роботи. Твердий електроліт забезпечує фізичний бар’єр проти проникнення дендритів, який не можуть отримати рідкі електроліти, що теоретично дозволяє швидше заряджати без того самого ризику деградації, пов’язаного з покриттям, який обмежує швидкість заряду LiPo.

З’являється новий механізм деградації: розшарування інтерфейсу. Це проблема, характерна для хімії твердого тіла. Коли електроди розширюються та стискаються під час циклу, твердий електроліт не тече, щоб підтримувати контакт, як це робить рідкий електроліт. Між поверхнями електрода та електроліту можуть утворюватися мікроскопічні зазори, що збільшує опір і знижує ефективність перенесення іонів. У твердотільних батареях БПЛА нинішнього покоління це управління інтерфейсом є однією з основних інженерних проблем, що впливає на термін служби.

Що це означає для операторів БПЛА на практиці

Чистий ефект цих різних механізмів деградації:твердотільні батареї в комерційних застосуваннях БПЛАзазвичай демонструють повільніше зменшення ємності за цикл, ніж еквівалентні пакети LiPo — від 600 до 900 циклів при збереженні ємності 80% проти 300-500 для LiPo за порівнянних умов.

Але деградація не є непомітною або нульовою. Твердотільні пакети з часом втрачають ємність. Швидкість повільніша, механізми інші, і поведінка в кінці терміну служби, як правило, більш передбачувана, але оператори, які планують графіки заміни, все одно повинні враховувати деградацію, а не припускати, що твердотільні пакети працюють вічно.

Більш передбачувана крива деградації твердотільних батарей насправді корисна для управління автопарком. Зникнення ємності в твердотільних елементах має тенденцію бути більш лінійним і менш схильним до раптових падінь, які іноді демонструють старіючі пакети LiPo, коли накопичений збиток SEI досягає порогового значення. Ця лінійність полегшує планування часу заміни.

Документація про деградацію ZYEBATTERY

ZYEBATTERYнадає дані про термін служби та збереження ємності для твердотільних літій-іонних і високопродуктивних літій-полімерних акумуляторів БПЛА на основі тестування в реальних робочих умовах, а не лише в лабораторних ідеалах. Для операторів, які створюють бюджети заміни та розклади управління парком, знання фактичної кривої деградації має таке ж значення, як і знання початкової продуктивності.

Твердотільні батареї деградують. Вони просто роблять це повільніше, більш передбачувано та з інших причин, ніж пакети LiPo, які звикли замінювати більшість операторів.