Wat is een ontladingscyclus?

Afgelopen dinsdag gebeld met een startup die hun eerste handheld-apparaat aan het maken was. PM vraagt me hoe vaak hun gebruikers de batterij kunnen opladen. Ik zei dat het ervan afhangt. Hij wilde een nummer. Ik vertelde hem misschien 500, onder perfecte omstandigheden die in het veld nooit zullen bestaan.

Dat is het probleem met ontladingscycli. Het concept is doodeenvoudig, maar de toepassing ervan op echte producten wordt al snel ingewikkeld.

Je batterij telt geen plug-in-. Het telt de capaciteitsdoorvoer. Laat 100% van de nominale capaciteit leeglopen en dat is één cyclus. Doe het in één keer of verspreid het over een week met gedeeltelijke ontladingen - hetzelfde resultaat.

De 18650 die je nu in je zaklamp ziet, bevindt zich mogelijk in cyclus 47 of cyclus 212. Tenzij je de amp-uren religieus hebt bijgehouden, heb je geen idee. De cel weet het zeker niet. Er is geen klein toonbankje binnen. Uw BMS maakt een schatting op basis van coulombtellingen en afwijkende coulombtellingen. Ik heb pakketten uit elkaar gehaald waarbij het gerapporteerde aantal cycli 30% afwijkt van de werkelijke kalenderveroudering.

Samsung SDI publiceerde in 2019 enkele gegevens waaruit bleek dat hun 21700-cellen een capaciteitsbehoud van 83% behaalden bij cyclus 300 onder hun standaard testprotocol. Panasonic NCR-cellen uit hetzelfde tijdperk waren ongeveer 78% bij 300 cycli. Deze cijfers kwamen uit klimaatkamers van 23 graden met CC-CV opladen bij 0,5 °C en ontladen bij 1 °C tot 2,5 V. Uw kilometerstand zal variëren omdat uw gebruik geen klimaatkamer is.

Iedereen in deze branche praat over de diepte van de ontlading alsof het een soort magische hefboom is. Ondiepe cycli verlengen het leven, diepe cycli doden cellen sneller. Waar genoeg. Maar de relatie is niet wat de meeste mensen verwachten.

In 2021 heb ik een zijproject uitgevoerd om dit te kwantificeren voor een klant van medische hulpmiddelen. We namen 200 cellen uit dezelfde productiepartij, verdeelden ze in groepen en lieten ze acht maanden lang op verschillende DoD-niveaus draaien. De 100% DoD-groep stortte in rond cyclus 380. De 60% DoD-groep had nog steeds een capaciteit van 88%, wat overeenkomt met 900 volledige cycli. De 30% DoD-groep vertoonde na een jaar nauwelijks enige degradatie.

Maar dit is wat de datasheets u niet vertellen. De kalenderveroudering slokte alle groepen in ongeveer hetzelfde tempo op, ongeacht het fietsen. In maand tien hadden zelfs de cellen die we nauwelijks aanraakten 4-5% capaciteit verloren, terwijl ze daar in een kamer met een temperatuur van 25 graden nog maar voor 50% waren opgeladen. De cellen die hard fietsten, werden van beide kanten geraakt: cyclusveroudering plus kalenderveroudering stapelden zich op elkaar.

Dus als uw klant vraagt waarom zijn twee- jaar- oude apparaat niet zo lang meegaat, ook al hebben ze het 'nauwelijks gebruikt' -, dan is dat de reden.

Discharge Cycle

Ik heb een doos met cellen in mijn garage van een accupakket van een golfkar dat drie zomers in een schuur in Tucson heeft gestaan. De eigenaar zwoer dat hij de kar misschien maar twee keer per maand gebruikte. Het pakket is geschikt voor 2000 cycli. Hij stierf op 160. De cellen zagen er uiterlijk prima uit. Eén ervan werd opengebroken en de geleirol had bruine vlekken op de scheider. Elektrolyt was gedeeltelijk ontbonden.

Warmte doodt lithiumcellen. Niet zo snel als een doodlopende weg. Langzaam, alsof je boter op het aanrecht laat staan.

De Arrhenius-relatie geeft je ongeveer 2x degradatiesnelheid voor elke 10 graden boven de 25 graden. Maar dat is een gemiddelde voor alle chemiebedrijven. NMC-cellen die ik heb getest, vielen sneller af. LFP hield beter stand. De buidelcellen die we gebruiken voor wearables zijn gevoeliger dan cilindrische cellen met dezelfde chemie, omdat de thermische massa lager is en ze onder belasting heter worden.

Koude ontlading is vervelend maar niet destructief. U verliest tijdelijk capaciteit. Het komt terug als de cel opwarmt. Ik heb cellen ontladen bij -15 graden, wat slechts 61% van de nominale capaciteit opleverde, en ze vervolgens laten opwarmen tot kamertemperatuur, zodat ik bij de volgende ontlading de volledige 3,2 Ah kreeg. Koud opladen is de moordenaar: lithiumplating op de anode. Die schade is blijvend. Om precies deze reden sluiten de meeste gebouwbeheersystemen het opladen onder 0 graden uit.

Elke ontlading verplaatst lithiumionen van de grafietanode naar de kathode. Elke aanval duwt ze terug. Doe dit vaak genoeg en de dingen beginnen kapot te gaan.

De SEI-laag op de anode wordt dikker. Die laag hoort daar te zijn - en beschermt het grafiet tegen de elektrolyt. Maar het groeit met elke cyclus, en groei betekent dat het lithium verbruikt dat anders energie zou kunnen opslaan. Dit is de reden waarom de capaciteit afneemt, zelfs als er niets dramatisch gebeurt.

Kathodedeeltjes barsten. NMC- en NCA-kathodes hebben een kristalstructuur die uitzet en samentrekt naarmate lithium in en uit beweegt. Er ontstaan micro-scheurtjes. Oppervlakte neemt toe. Bijreacties versnellen. Ik heb dwars-doorsneden van kathodedeeltjes gezien van cellen met een hoge- cyclus die er onder de microscoop uitzien als gebroken glas, vergeleken met verse cellen uit dezelfde batch.

Het elektrolyt wordt afgebroken. Spoorwater veroorzaakt problemen. Hoge spanning versnelt de oxidatie. Je krijgt uiteindelijk gasgeneratie, verhoogde impedantie, en uiteindelijk zwelt de cel op of gaat deze ontsnappen.

Niets van dit alles gebeurt gelijkmatig. De cellen in uw seriereeks die heter worden of met een iets lagere capaciteit zijn begonnen, verouderen sneller. Na een jaar of twee is je 'matched'-pakket niet meer gematcht. De zwakke cel beperkt de ontlading van de hele reeks en raakt overwerkt in zijn pogingen om bij te blijven. Doodsspiraal vanaf daar.

IEC 62660 en de verschillende UL-normen bieden u een basislijn. Geef deze door en u kunt het product verzenden. Maar ik heb gezien hoe cellen de certificeringstests behaalden en zes maanden later met opgezwollen buidels in het veld verschenen.

De certificeringstests zijn ontworpen om herhaalbaar te zijn in verschillende laboratoria, niet om echt gebruik te simuleren. Niemand gebruikt zijn telefoon bij een constante stroomsterkte van exact 0,5C. Niemand laadt zijn elektrisch gereedschap op met een perfect CC-CV-profiel op 25 graden.

Als u serieus wilt weten hoe uw pakket zal presteren, moet u een testprotocol opstellen dat overeenkomt met uw daadwerkelijke gebruiker. Profileer uw verwachte ontlaadstroom. Inclusief de rustperioden. Raak de extreme temperaturen aan die uw product zal zien. Voer voldoende cellen uit om statistische betrouwbaarheid te verkrijgen - en dat betekent minimaal 15-20 per testvoorwaarde, niet de 3-5 waarmee de meeste startups wegkomen.

De cellen die tijdens de vroege levenstests faalden, vertoonden bijna altijd fabricagefouten. Bramen op de elektrode, vervuiling, slechte lasnaden op de lipjes. Deze zullen verschijnen in de eerste 50 cycli. De cellen die laat falen - dat zijn degenen die u iets vertellen over uw ontwerp.

U kunt de verwachte levensduur van de cyclus berekenen als u uw gebruikersprofiel kent. Een telefoon die dagelijks wordt opgeladen, loopt gemiddeld tot 20% leeg voordat hij wordt aangesloten op het stopcontact -, dat is grofweg 0,8 cycli per dag. Over een verwachte levensduur van twee- jaar kijk je naar 580 cycli. Als uw cellen geschikt zijn voor 500 cycli tot een capaciteit van 80%, zult u rond maand 18 klachten gaan zien.

Dit is de reden waarom Apple en Samsung hun pakketten te groot maken in verhouding tot de geadverteerde capaciteit. De "100%" die u op uw telefoon ziet, is niet 100% van wat de cellen daadwerkelijk kunnen bevatten. Ze houden een buffer aan de boven- en onderkant aan om de stress op de cellen te verminderen. Je telefoon heeft misschien een fysieke capaciteit van 4500 mAh, maar met de software kun je er slechts 4000 mAh van gebruiken.

Hetzelfde idee werkt voor elk batterijproduct. U kunt uw levenscyclusdoel bereiken met betere cellen - die meer kosten -, of u kunt dit bereiken door extra capaciteit toe te voegen en de cellen gemakkelijker te laten werken. De tweede optie wint meestal wat betreft de totale kosten als u rekening houdt met garantiereserves.

Discharge Cycle

De ontladingscyclus is slechts een manier om slijtage te kwantificeren. Net als de kilometerteller van een auto, maar de relatie tussen de kilometers en de resterende levensduur is zwakker. Twee pakketten van 300 cycli kunnen een totaal verschillende resterende capaciteit hebben, afhankelijk van hoe ze daar zijn gekomen.

De celfabrikanten zullen u hun cijfers geven. Het is jouw taak om uit te zoeken hoe deze cijfers zich vertalen naar uw specifieke product en uw specifieke gebruikers. Daar bestaat geen formule voor. Je test, je verzendt, je bekijkt de veldgegevens en je past aan.