Pilin bozulmasının nedenleri

Referans MakaleleriPV Dergisi

Geniş pil çeşitliliği arasında, her hücre tipi ve cihazın alt türü, kullanımdan ve diğer faktörlerden etkilenen bozulmaya karşı benzersiz bir hassasiyete sahiptir. Bazı hücreler düşük sıcaklıkta gelişir, bazıları ise yüksek akımlarda başarılı olur. Ancak bu tür bir uzmanlaşmanın çoğu zaman bir bedeli vardır.

Pil yaşlanması ya zamanla (takvim ya da "takvimsel" yaşlanma durumlarında) ya da kullanımla ilişkilidir; şarj ve deşarj "döngüsel" yaşlanmayı temsil eder.

Yaşlanmanın her iki biçimi de kapasitenin ve verimliliğin azalmasına ve iyonların hoş olmayan yan reaksiyonlara tamamen hapsolması nedeniyle iç direncin artmasına katkıda bulunur. Bu tepkiler çeşitli "etkileyici faktörler" tarafından yönlendirilir. Tipik olarak iyonlar hücredeki diğer materyallerle geri dönüşü olmayan bir şekilde reaksiyona girerek pasif kalıntı oluşturur ve bunların enerji taşınması için kullanılmasını engeller.

Etkisi hücre tipine göre değişen ortak etkileyici faktörler arasında pil hücrelerinin sıcaklığı; cihazın şarj durumu (SOC); ve şarj etme ve boşaltma sırasında kullanılan akım veya güç. Şarj durumu (bir pildeki şarj veya enerji miktarı) ile ilgili olarak, boştaki SOC, pil kullanılmadığında önemlidir ve SOC penceresi (dönüşümün gerçekleştiği aralık) bir cihaz döngü halindeyken önemlidir.

Titreşim ve basınç gibi mekanik stres, pilin bozulmasında etkili olan diğer bir faktördür ancak şimdilik yukarıdaki üç faktöre odaklanacağız.

Sıcaklık

Sıcaklık pil ömründe çok önemli bir rol oynar. Çoğu hücre kimyası, 20 C'nin altındaki düşük sıcaklıklarda depolama ve boşta bekletme işleminden yararlanır; çünkü bu, yan reaksiyon olasılığını azaltarak takvimsel yaşlanmayı yavaşlatır. Daha yüksek sıcaklıklarda rölantide çalışmak bozulma oranını büyük ölçüde artırabilir.

Tersine, çoğu hücre teknolojisi düşük sıcaklıkta çalışmaya karşı çok hassastır ve bu da bir ikileme neden olur. 30 C ila 40 C'den fazlası optimalin altında olduğundan, çoğu kimya için pil hücresinin çalışması için en uygun nokta 15 C ila 25 C civarındadır. Daha yeni nikel-manganez-kobalt (NMC) bazlı piller, düşük sıcaklıktaki şarja karşı çok hassastır ve 10 C'nin altında şarj edilirse tehlikeli kusurlar meydana gelebilir. Soldaki grafikte, aynı türden üç yüksek kaliteli NMC hücresi gösteriliyor çalışma sıcaklığının 25°C'den (turuncu çizgi) 15°C'ye (mor çizgi) 10°C düşürülmesiyle bozunma hızı biraz iyileştirilir. Ancak 10 C'nin altına inmek (mavi çizgi) aküyü neredeyse anında çökertecektir.

Lityum kaplama

Lityum-iyon (li-iyon) piller genellikle güvenlidir ancak belirli koşullar altında (düşük sıcaklıklarda, yüksek akım altında veya zaten iyi doldurulmuş bir ana elektrotla) lityum kaplamaya maruz kalabilirler. Yukarıdaki örnek, düşük sıcaklıkta kaplamanın etkisini göstermektedir. Kaplama, lityum iyonlarının pil hücrelerinin içinde metal birikintileri oluşturması sonucu oluşan bir kalıntı şeklidir. Zamanla bu süreç birikebilir ve sonunda dahili kısa devrelere yol açarak termal kaçmayı tetikleyebilir; bu da hızlı ve tehlikeli bir ısı ve gaz salınımıdır.

SOC

Şarj durumunun pil ömrü üzerinde önemli bir etkisi vardır. Hem kullanım dışıyken boştaki SOC (bu takvimsel yaşlanmayla ilgilidir) hem de çalışma sırasındaki SOC aralığı veya penceresi (döngüsel yaşlanma) önemlidir. Aşağıdaki örnek iki özdeş NMC hücresini göstermektedir.

Aşağıdaki grafik, yüksek kaliteli bir NMC hücresinin neredeyse aynı iki kullanım durumunun bozulma gelişimini göstermektedir.

Her ikisi de pilin yalnızca %50'sini kullanır ve ilk kullanım durumu (mavi çizgi) bunu SOC'nin üst yarısında yapar, tam şarjlı olarak başlar ve tekrar tam olarak şarj edilmeden önce %50'ye düşer. İkinci kullanım durumu (turuncu) %50 şarjla başlar ve neredeyse boşalır. Grafiklerin gösterdiği gibi, bozulma üzerindeki etkisi inanılmazdır: Turuncu pil, mavi olandan iki ila üç kat daha uzun ömürlü olacak ve toplam sahip olma maliyetini yarıdan fazla azaltacaktır.

Ancak bunun belirli bir hücre tipine bir örnek olduğunu ve diğer cihazların ve hücrelerin tamamen farklı davranabileceğini vurgulamak gerekir. Genel bir kural olarak %90'ın üzerinde ve %10'un altında bir SOC'den kaçınmak genellikle pil ömrünü uzatır ancak istisnalar da vardır.