Abstraktné
S rozmachom elektrických vozidiel a plug-in hybridných vozidiel je cieľová životnosť sekundárnych batérií najmenej 10 rokov a očakáva sa, že takéto vozidlá budú v budúcnosti veľmi populárne. Neprenosné batérie majú tiež požiadavku na dlhú životnosť, vďaka čomu je testovanie zrýchlenia sekundárnych batérií vysoko očakávané. Tento článok porovnáva akceleračné testovanie polovodičov, elektronických súčiastok a elektronických zariadení a rozvádza aktuálny stav a problémy akceleračného testovania lítium-iónových sekundárnych batérií.
1. Úvod
Výskum a výroba lítium-iónových sekundárnych batérií zaznamenali rýchly pokrok v zlepšovaní výkonu. Hoci zaistenie bezpečnosti je najdôležitejšou otázkou pre lítium-iónové sekundárne batérie, cieľová životnosť lítium-iónových sekundárnych batérií používaných v elektrických vozidlách a plug-in hybridných vozidlách (rastúci a veľmi očakávaný trh) je 10 až 15 rokov. Pre neprenosné batérie sa vyžaduje minimálna životnosť 6 rokov. Tieto požiadavky budú klásť čoraz väčšie očakávania na zrýchlené testovanie v nasledujúcich rokoch. Naproti tomu v oblasti zrýchleného testovania elektronických súčiastok a zariadení môže objasnenie degradačných mechanizmov a akceleračných faktorov parametrov, ako je spájanie polovodičov/spájkovačov a izolácia dosiek plošných spojov, pomôcť posunúť technológiu predpovedania životnosti. Na rozdiel od elektronických komponentov a zariadení sekundárnym batériám chýbajú dostatočné príklady a systémové teórie na predpovedanie degradácie/životnosti a testovanie zrýchlenia. Tento článok popisuje súčasnú situáciu a problémy zrýchleného testovania lítium-iónových sekundárnych batérií porovnaním so zrýchleným testovaním polovodičov, elektronických súčiastok a elektronických zariadení.
2. Definícia degradácie
JIS C 8711 (zahŕňa lítiové sekundárne batérie pre prenosné zariadenia) poskytuje príklad hodnotenia životnosti sekundárnej batérie, kde ukončenie životnosti batérie je definované ako časový bod, keď kapacita klesne na 60 % počiatočnej kapacity počas cyklov nabíjania a vybíjania. Pre degradáciu batérií skladovaných pri konštantnej teplote po nabití vopred stanovenou metódou sú definované aj hodnoty 70 % pre jednotlivé články a 60 % pre sady batérií. Normy výrobcov na hodnotenie degradácie sú zvyčajne prísnejšie ako tieto hodnoty, napríklad používajú hodnoty ako 80 %. Vzhľadom na skutočnosť, že miera degradácie batérií počas dlhodobého skladovania je úmerná ich stavu nabitia (SOC), sekundárne batérie sú navrhnuté tak, aby vyhovovali prostrediu používania, čo im umožňuje udržiavať nízku SOC a vydržať dlhodobé používanie. Pokiaľ hodnota degradácie batérie spĺňa stanovené normy, považuje sa za normálne fungujúcu. Všeobecný názor je, že batérie sú spotrebný materiál a ich kapacita sa nevyhnutne znižuje. Obrázok 1 zobrazuje príklad vybíjacej krivky lítium-iónovej sekundárnej batérie.
3. Degradačné faktory a mechanizmy
Každý komponent lítium-iónových sekundárnych batérií má niekoľko degradačných faktorov a je ťažké ich jednoducho klasifikovať. Možným dôvodom tohto problému je, že existuje len málo prípadov analýzy chýb, pretože je ťažké rozobrať batériu bez ovplyvnenia jej vnútorného stavu a vzťah medzi špecifickými mechanizmami degradácie a životnosťou batérie nie je vždy jasný. Naproti tomu situácia s elektronickými komponentmi je celkom iná. Existuje mnoho prípadov analýzy porúch elektronických komponentov a so zlepšením technológie analýzy sa vyvinula aj technológia spoľahlivosti a technológia predpovedania životnosti.
Obrázok 2 zobrazuje štruktúru lítium-iónovej sekundárnej batérie. Podľa správ je nárast vnútorného odporu spôsobený rastom membrán na povrchu elektród typickým degradačným faktorom lítium-iónových sekundárnych batérií. Ďalšie možné javy zahŕňajú zmeny v kryštálovej štruktúre účinnej látky, ako aj delamináciu materiálu elektródy alebo rozhrania zberača prúdu. Vzhľadom na niektoré degradačné javy spôsobené elektrolytmi alebo membránami je potrebné tieto príčiny odhadnúť z charakteristických hodnotení alebo štruktúr materiálov. Tieto typy degradácie môžu koexistovať počas cyklov nabíjania. Metódy merania nárastu vnútorného odporu zahŕňajú metódu odporu jednosmerného prúdu (DC-IR) a metódu impedancie striedavého prúdu. Kvôli obmedzenému počtu prípadov analýzy porúch je príčinná súvislosť medzi javmi degradácie a miestami degradácie stále nejasná. Metóda impedancie striedavého prúdu je však sľubnou technikou na meranie javov vnútornej batérie súvisiacich s vyššie uvedenými faktormi.
4. Vplyv prostredia používania lítium-iónovej sekundárnej batérie na životnosť batérie
Vplyv skladovacej teploty:Skladovacia teplota je dôležitým degradačným faktorom pre lítium-iónové sekundárne batérie. Očakáva sa, že teplota vnútorného prostredia dosiahne maximálne približne 40 stupňov C, zatiaľ čo batérie vo vonkajších alebo mobilných zariadeniach čelia drsnejším podmienkam. Dlhodobé charakteristiky súčasných lítium-iónových sekundárnych batérií sa rýchlo zhoršujú pri 40-60 stupni C. Preto testovacie normy ako JIS 8711 a IEC 62660-1 (používané na testovanie výkonu jednotlivých batérií v elektrických vozidlách) stanovuje, že teplota pri teste dlhodobej životnosti by mala byť medzi 40-45 stupňom C. Na predĺženie životnosti batérie sú batérie vozidla navrhnuté s chladiacim mechanizmom, ktorý udržiava teplotu batérie maximálne 45 stupňov C. Batérie vozidiel stále potrebujú prispôsobiť sa nízkym teplotám -20 stupňa C a menej, pretože vnútorný odpor sekundárnych batérií sa pri tejto teplote zvyčajne zvyšuje a kapacita výrazne klesá. V súčasnosti však vyvíjame batérie s vynikajúcimi nízkoteplotnými charakteristikami.
Vplyv sadzieb nabíjania a vybíjania:Batérie vozidiel majú počas používania rôzne rýchlosti nabíjania a vybíjania a rozdiel v rýchlostiach nabíjania a vybíjania môže ovplyvniť proces degradácie. IEC 62660-1 určuje režim rýchlosti nabíjania a vybíjania batérií vozidla počas používania. Naproti tomu batérie domácich spotrebičov sa často používajú v nepretržite nabitom stave a udržanie vysokej SOC je tiež faktorom, ktorý vedie k procesu degradácie. Vzhľadom na významný vplyv trhových podmienok na životnosť batérie je potrebné preštudovať podmienky zrýchleného testovania, ktoré môžu tieto trhové prostredia predvídať.
5. Testovanie životnosti sekundárnej batérie a model zrýchlenia
Prehľad testovacích charakteristík a modelov zrýchlenia:Testovanie životnosti sekundárnej batérie sa zameriava najmä na dve základné charakteristiky: životnosť (životnosť kalendára) a životnosť cyklu vybíjania. Skladovateľnosť súvisí s degradáciou súvisiacou s teplotou. Ako model zrýchlenia sa používa Arrheniusov model. Predpokladá sa, že skladovateľnosť je určená zvýšením vnútorného odporu spôsobeného rastom tvárovej masky na povrchu elektródy. Rast filmu je spôsobený chemickou reakciou. Zrýchlená testovacia teplota je vyššia ako prevádzková teplota, ale maximálna teplota lítium-iónovej sekundárnej batérie je zvyčajne obmedzená na 55-60 stupeň C, pri prekročení ktorej sa efekt zrýchlenia negeneruje v dôsledku postupu rôznych chemických reakcií . Metóda extrapolácie založená na lineárnej degradácii starnutím sa používa na predpovedanie dlhodobej životnosti (ako v prípade lineárneho vzťahu s druhou odmocninou doby starnutia). Pri praktickom používaní je však potrebné brať do úvahy životnosť cyklu vybíjania a samotný model Arrhenius nemôže plne vyjadriť skutočnú situáciu, ako sú prípady, keď pomer skladovateľnosti k životnosti cyklu vybíjania nabitia je 9:1 a situácie, keď skladovacia teplota má významný vplyv. Okrem Arrheniusovho modelu existujú rôzne modely zrýchlenia pre elektronické súčiastky a ich použitie a kombinácia sú určené degradačnými faktormi. Pri tvorbe modelov zrýchlenia je dôležité identifikovať degradačné faktory, ako je vlhkosť a opakované mechanické namáhanie.
Obmedzenia modelov zrýchlenia a výzvy v predpovedi životnosti batérie:Pri použití modelov zrýchlenia na predpovedanie životnosti sú faktory zjednodušené ako hlavné faktory, čo vedie k významným chybám vo výsledkoch výpočtov. Elektronické komponenty niekedy používajú trojité výsledky výpočtov ako hodnotenia bezpečnostnej rezervy. Výkon batériových produktov je však relatívne malý v porovnaní s požadovanou rezervou životnosti batérie a je potrebná presná predpoveď. V súčasnosti je mimoriadne ťažké vytvoriť metódu predpovedí, ktorá určuje 10-ročnú životnosť. Keďže sa však vývojári snažia zabezpečiť, aby výkonová marža životnosti prevyšovala dopyt trhu, očakáva sa, že výkon batérie sa bude ďalej zlepšovať.
6. Zhrnutie
Dôvody pre ťažkosti pri zrýchlenom testovaní sekundárnych batérií
V porovnaní s podobným testovaním elektronických súčiastok alebo zariadení je dlhodobé zrýchlené testovanie sekundárnych batérií v súčasnosti náročnejšie, najmä kvôli nasledujúcim faktorom:
- Predpoveď životnosti batérie zvyčajne nie je založená na simulácii drsnejších prostredí alebo znásobení bezpečnostných faktorov, ako sú elektronické komponenty a zariadenia, pravdepodobne z dôvodu nedostatku dostatočnej rezervy pre aktuálnu životnosť batérie v porovnaní s dopytom na trhu.
- Stále existuje veľa nejasných príčinných vzťahov medzi javmi degradácie a faktormi degradácie, ktoré môžu byť spôsobené ťažkosťami pri analýze porúch degradovaných batérií a obmedzeným počtom prípadov.
- Kvôli rýchlej rýchlosti vývoja batérií, zmenám v štruktúre materiálu a ťažkostiam s analýzou chýb, ktoré boli spomenuté vyššie, nebola vykonaná nedostatočná overovacia práca na korelácii medzi údajmi o degradácii trhu.