バッテリーの劣化に関する究極のガイド

多くの輸送およびエネルギー サービス プロバイダーにとって、バッテリーの寿命と最適なパフォーマンスを確保することは最優先事項です。 バッテリーの劣化をより深く理解することで、バッテリーの寿命を延ばす方法を学ぶことができます。

記事の投稿元 | ACCURE バッテリー インテリジェンス

この記事では、リチウムイオン電池の劣化に関する多くの新しい用語を紹介します。 誰もがバッテリーの専門家であるわけではないので、バッテリーの劣化について理解しやすくするために、いくつかの基本的な用語を説明しましょう。

キーワード

意味

バッテリーの劣化は非常に複雑で非線形であり、多くのパラメーターの影響を受けます。 たとえば、バッテリーは使用していなくても劣化することが観察されます。 ただし、一般に、バッテリーは使用すると劣化が早くなります。 複雑さを管理するために、エージングを 3 つのバケット (カレンダー エージング、周期的エージング、および可逆エージング) に分割するのが一般的です。

バッテリーが劣化すると、さまざまな劣化メカニズムが同時に発生します。 それぞれの劣化メカニズムはバッテリーの動作に影響を与えます。 この影響は、容量と内部抵抗という 2 つの性能パラメータに分類できます。

バッテリーは古くなると容量が減少します。 電気自動車の場合、容量が失われるということは、充電のために停止せずに以前のように遠くまで走行できなくなることを意味します。 また、定置型エネルギー貯蔵の場合、バッテリーが貯蔵できるエネルギーが少なくなるため、収益も少なくなります。 容量がどれだけ早く減少するかは、バッテリーの種類、充電および放電速度、曝される温度、サイクル数などの多くの要因によって異なります。

リチウムイオン電池の経年劣化を見ると、図 1 に示すように、劣化傾向は大まかに 3 つの段階に分けることができます。

図 1: バッテリーの経年劣化 - 一般的なバッテリー容量のライフサイクル‍

容量の損失とは対照的に、バッテリーの内部抵抗は時間の経過とともに増加し、逆に電力の低下につながります。 これは特にハイブリッド電気自動車 (HEV) に当てはまります。 HEV の内部抵抗が増加すると、以前ほど速く加速できなくなり、ブレーキから回収できるエネルギーが少なくなります。 定置式ストレージ事業者にとって、これは効率と電力能力の低下を意味します。

リチウムイオン電池の劣化の主な原因は、表面電解質界面（SEI）の成長です。 SEI 層は、一般に形成サイクルと呼ばれる最初の充電サイクル中に負極上に形成されます。 SEI は時間の経過とともに厚くなり、主に電解質の化学反応と活物質の機械的ストレスの影響を受けます。 通常、SEI はアノード上に形成されます。アノードは主にグラファイトでできており、場合によってはシリコンが混合されています。

表面電解質界面が成長するにつれて、リチウムと結合します。 その後、充放電反応に参加するリチウムイオンが減少し、電池容量が減少します。 リチウムイオンは、バッテリーの充電および放電時にも SEI 層を通過します。 SEI が厚ければ厚いほど、イオンが SEI を通過するのは難しくなります。 これが内部抵抗が増加する理由です。電池が古くなると SEI が増加します。

SEI の成長に加えて、亀裂や腐食など、バッテリーの劣化に影響を与える追加のプロセスが多数ありますが、それらについては別の記事で説明します。

カレンダーエイジング

暦による経年劣化の主な要因は、温度と充電状態 (SOC) です。 全体的に、温度が高く、SOC が高いと、バッテリーの劣化が早くなります。 図 2 に示すように、平均 10°C または 50°F 低下すると、バッテリーの寿命が 2 倍になります。ただし、リチウムの編み込みが発生するため、バッテリーをあまりにも低い温度で動作させないように注意してください。

図 2: さまざまな充電状態と温度でのバッテリーの経時劣化の比較

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SOC が高くなると、特に 90% を超えると、図 3.3、4、5 に示すように、バッテリーの劣化が急速に進みます。

図 3: さまざまな充電状態でのバッテリの経時劣化の比較

サイクル劣化は、エネルギー スループット (特定の期間内にバッテリー内を移動するエネルギー量) によって支配されるため、サイクル数が重要な役割を果たします。 ただし、図 4 (下記) に示すように、小さなサイクルは大きなサイクルよりも害が少ないです。 たとえば、総エネルギー スループットが同じであっても、放電深度 (DOD) 20% の 3 サイクルは、DOD 60% の 1 サイクルに比べて有害性が低くなります。 これは、放電深さが制限された範囲内にある場合、バッテリーがより多くのサイクルを維持できることを意味します。

図 4: 異なる放電深度での持続サイクルの比較

さらに、充電電力もサイクル寿命に影響します。 より高い充電電力または「急速充電」は、劣化の進行につながります。 理由の 1 つは、高出力でバッテリーを充電すると温度が上昇し、劣化が促進されることです。 もう1つの理由は、リチウムメッキのリスクの増加です。

温度、充電電力、スループット、放電深度に加えて、位相シフトなどの他の影響もバッテリーの劣化を加速させます。 より深い洞察を得るには、ask-a-battery-expert[at]ACCURE.net に問い合わせてください。

前述の経年劣化の影響に関する洞察を使用すると、バッテリの寿命を簡単に延長するためのインテリジェントな運用戦略を開発できます。 以下に、さまざまなアプリケーションに対する推奨事項をいくつか示します。 ただし、覚えておくべき最も重要なことは、指定されたサプライヤーの境界内でのみバッテリーを動作させることです。 たとえば、寒すぎる温度や暑すぎる温度でバッテリーを充電しないでください。

EV の価格の 3 分の 1 から半分はバッテリー代であるため、電気自動車を生涯に優しい方法で運用することが特に重要です。 全走行距離のごく一部だけを走行した場合は、帰宅直後にバッテリーを完全に充電しないでください。 バッテリーを完全に充電したままにすると劣化が促進されるため、多くの自動車メーカーはユーザーにバッテリーを 100 パーセントまで充電することに手動で同意することを要求しています。

電気自動車用の一部のアプリは、長時間の高い SOC を避けるために、ユーザーが車の充電が必要な時間を入力するスマート機能を提供します。 たとえば、ユーザーは午前 7 時に出勤する必要があるため、車の電源がそれより早く接続されていたとしても、車は午前 4 時に充電を開始します。

最後に、EV の急速充電は必要な場合にのみ行うことをお勧めします。 急速充電では大電流が使用されるため、高温になる可能性があります。 どちらも経年劣化という点では非常に高価です。

実用規模のストレージ分野では、バッテリーの老朽化がしばしば見落とされます。 大規模ストレージ システムのほとんどは、バッテリーの経年劣化を総合的に考慮する機能が欠けているソフトウェアで動作します。 たとえば、ソフトウェアは生成される収入を最適化するように設計されていますが、市場参加による劣化コストは無視されています。

ユーティリティ規模のストレージ システムの総所有コスト (TCO) を最適化するには、さまざまなサイクルの劣化コストを考慮に入れる必要があります。デジタル ツインを使用すると、各サイクルのコストを追跡し、システム全体で統合して比較できます。 市場参加の収益とコストの両方を知ることで、資産の合計価値を最大化するために全体の運用を最適化できます。

屋上に太陽光発電 (PV) システムを備えた一般家庭は、家庭用蓄電池エネルギー貯蔵システムを使用して電力の自己消費を増やしています。 これらのバッテリー システムの価格は数千ドルであり、需要はますます高まっています。 昨年、米国の住宅用ストレージ市場では、375 MWh (第 2 四半期) と 400 MWh (第 4 四半期) という記録的な 2 四半期が設置されました。6 ドイツだけでも、推定 700,000 の個人向け家庭用ストレージ システムが存在します。7

ほとんどの場合、家庭用蓄電池システムは消費されるエネルギーよりも多くのエネルギーを蓄えます。 その結果、ストレージ システムは 50 ～ 100% の高い SOC 範囲でサイクルされ、経年劣化が増加します。 劣化を軽減するには、システム設定でバッテリーの充電をその日の遅い時間まで遅らせる必要があります。 このようにして、バッテリーが高い充電状態で費やす時間が全体的に短くなります。

さらに、予測バッテリー分析により、時間の経過に伴う実際の使用状況に基づいて、必要な最大 SOC を計算できます。 この情報を使用して、ユーザー固有の SOC を維持するようにシステムを設定して、平均充電状態を大幅に削減し、寿命を延ばすことができます。

よくある間違いの 1 つは、リチウムイオン電池をほとんどの時間フル充電し続けることです。 バッテリー寿命を延ばし、安全性を高めるために充電ルーチンを調整するための推奨事項を次に示します。

ニューヨーク市消防局は、リチウムイオンデバイスを充電するための安全に関する役立つヒントの概要をここに掲載しています。

バッテリーの使用方法と動作条件は、経年劣化に大きな影響を与えます。 これは、運用とメンテナンスを管理する企業が、シンプルかつインテリジェントな調整によってバッテリーの寿命を延ばせることを意味します。 バッテリーごとに寿命が異なります。そのため、特定の状況に応じて最も安全で最も収益性の高い運用戦略を決定するために、運用データを分析するバッテリー ビジネス インテリジェンス ソリューションをお勧めします。 データをアクションに変えると、バッテリーの寿命を延ばすためにできることはたくさんあります。

参考文献

1 アムリタ・ダスグプタ、マックス・シェーンフィッシュ。 グリッドスケール ストレージ インフラストラクチャの詳細、国際エネルギー協会。 最終改訂日: 2022 年 9 月。取得日: 2023 年 3 月 8 日 [https://www.iea.org/reports/grid-scale-storage]

2 マーティン・プラセク。 金属およびエレクトロニクス › エレクトロニクス、さまざまな種類の EV バッテリーの世界市場シェア 2020 ～ 2050 年、統計。 最終改訂日: 2023 年 1 月 6 日。取得日: 2023 年 3 月 8 日 [https://www.statista.com/statistics/1248519/distribution-of- Different-electric-vehicle-batteries-on-the-global-market/ ]

3 Peter Keil 他、2016 年。リチウムイオン電池のカレンダー老化、電気化学協会ジャーナル、Soc.163 A1872。 取得日: 2023 年 4 月 3 日 [https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0411609jes]

4 Madeleine Ecker 他、2014。Li(NiMnCo)O2 ベースの 18650 リチウムイオン電池のカレンダーとサイクル寿命の研究、Journal of Power Sources、第 248 巻、839 ～ 851 ページ、ISSN 0378-7753。 取得日: 2023 年 4 月 3 日 [https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.09.143]

5 Georg Angenendt、Hendrik Axelsen、Sebastian Zurmühlen、2018 年。「太陽光発電システムを備えた一戸建て住宅用蓄電池の PV ホームストレージシステム (PV-HOST) 運用戦略とシステム構成」: アーヘン工科大学サブプロジェクトに関する報告書: 最終報告書 (ドイツ語)、ISEA、アーヘン工科大学、取得日: 2023 年 4 月 3 日 [https://www.tib.eu/en/suchen/id/TIBKAT:1016723725/]

6 第 3 四半期米国のグリッド規模のエネルギー貯蔵市場が新記録樹立、ウッド マッケンジー。 最終改訂日: 2022 年 12 月 15 日。取得日: 2023 年 3 月 8 日 [https://www.woodmac.com/press-releases/q3-us-grid-scale-energy-storage-market-sets-new-record/] ]

7 サンドラ・エンクハルト。 ドイツでは現在、500,000 台の太陽光発電家庭用蓄電システムが設置されている、PV マガジン。 最終改訂日: 2022 年 4 月 6 日。取得日: 2023 年 3 月 8 日 [https://www.pv-magazine.de/2022/04/06/500-000-photovoltaik-heimspeicher-mittlerweile-in-deutschland-インストール/]

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