Abstraktní
S nárůstem elektromobilů a plug-in hybridních vozidel je cílová životnost sekundárních baterií alespoň 10 let a očekává se, že tato vozidla budou v budoucnu široce popularizována. Nepřenosné baterie mají také požadavek na dlouhou životnost, díky čemuž se velmi očekává akcelerační testování sekundárních baterií. Tento článek porovnává akcelerační testování polovodičů, elektronických součástek a elektronických zařízení a rozvádí aktuální stav a problémy akceleračního testování pro lithium-iontové sekundární baterie.
1. Úvod
Výzkum a výroba lithium-iontových sekundárních baterií dosáhly rychlého pokroku ve zlepšování výkonu. Ačkoli je u lithium-iontových sekundárních baterií nejdůležitější otázkou zajištění bezpečnosti, cílová životnost lithium-iontových sekundárních baterií používaných v elektrických vozidlech a plug-in hybridních vozidlech (rostoucí a vysoce očekávaný trh) je 10 až 15 let. U nepřenosných baterií je vyžadována minimální životnost 6 let. Tyto požadavky budou v nadcházejících letech klást rostoucí očekávání na zrychlené testování. Naproti tomu v oblasti zrychleného testování elektronických součástek a zařízení může objasnění degradačních mechanismů a akceleračních faktorů parametrů, jako je spojování polovodičů s pájkou a izolace desek plošných spojů, pomoci posunout technologii predikce životnosti. Na rozdíl od elektronických součástek a zařízení postrádají sekundární baterie dostatečné příklady a systémové teorie pro predikci degradace/životnosti a testování zrychlení. Tento článek popisuje současnou situaci a problémy zrychleného testování lithium-iontových sekundárních baterií porovnáním se zrychleným testováním polovodičů, elektronických součástek a elektronických zařízení.
2. Definice degradace
JIS C 8711 (pokrývající lithiové sekundární baterie pro přenosná zařízení) poskytuje příklad hodnocení životnosti sekundární baterie, kde ukončení životnosti baterie je definováno jako okamžik, kdy kapacita klesne na 60 % počáteční kapacity během cyklů nabíjení a vybíjení. Pro degradaci baterií skladovaných při konstantní teplotě po nabití předem stanoveným způsobem jsou také definovány hodnoty 70 % pro jednotlivé články a 60 % pro bateriové sady. Normy výrobců pro posuzování degradace jsou obvykle přísnější než tyto hodnoty, například používají hodnoty jako 80 %. Vzhledem k tomu, že rychlost degradace baterií během dlouhodobého skladování je úměrná jejich stavu nabití (SOC), jsou sekundární baterie navrženy tak, aby odpovídaly prostředí použití, což jim umožňuje udržovat nízkou SOC a vydržet dlouhodobé používání. Pokud hodnota degradace baterie odpovídá stanoveným normám, má se za to, že funguje normálně. Obecný názor je, že baterie jsou spotřební materiál a jejich kapacita nevyhnutelně klesá. Obrázek 1 ukazuje příklad vybíjecí křivky lithium-iontové sekundární baterie.
3. Degradační faktory a mechanismy
Každá součást lithium-iontových sekundárních baterií má několik degradačních faktorů a je obtížné je jednoduše klasifikovat. Možným důvodem těchto potíží je, že existuje jen málo případů analýzy chyb, protože je obtížné baterii rozebrat bez ovlivnění jejího vnitřního stavu a vztah mezi konkrétními mechanismy degradace a životností baterie není vždy jasný. Naproti tomu u elektronických součástek je situace zcela odlišná. Existuje mnoho případů analýzy poruch elektronických součástek a se zdokonalováním technologie analýzy byla vyvinuta také technologie spolehlivosti a technologie predikce životnosti.
Obrázek 2 ukazuje strukturu lithium-iontové sekundární baterie. Podle zpráv je nárůst vnitřního odporu způsobený růstem membrán na povrchu elektrody typickým degradačním faktorem lithium-iontových sekundárních baterií. Mezi další možné jevy patří změny v krystalové struktuře účinné látky a také delaminace na materiálu elektrody nebo na rozhraní sběrače proudu. Vzhledem k některým degradačním jevům způsobeným elektrolyty nebo membránami je nutné tyto příčiny odhadnout z charakteristických hodnocení nebo materiálových struktur. Tyto typy degradace mohou koexistovat během cyklů vybíjení nabití. Mezi metody měření nárůstu vnitřního odporu patří metoda odporu stejnosměrného proudu (DC-IR) a metoda impedance střídavého proudu. Kvůli omezenému počtu případů analýzy poruch je příčinná souvislost mezi degradačními jevy a degradačními místy stále nejasná. Metoda AC impedance je však slibnou technikou pro měření jevů vnitřních baterií souvisejících s výše uvedenými faktory.
4. Vliv prostředí používání lithium-iontové sekundární baterie na životnost baterie
Vliv skladovací teploty:Skladovací teplota je důležitým degradačním faktorem pro lithium-iontové sekundární baterie. Očekává se, že teplota vnitřního prostředí dosáhne maximálně asi 40 stupňů C, zatímco baterie ve venkovních nebo mobilních zařízeních čelí drsnějšímu prostředí. Dlouhodobé charakteristiky současných lithium-iontových sekundárních baterií se při 40-60 stupni C rychle zhoršují. Proto testovací normy jako JIS 8711 a IEC 62660-1 (používané pro testování výkonu jednotlivých baterií v elektrických vozidlech) stanoví, že teplota dlouhodobého testu životnosti by měla být mezi 40-45 stupni C. Aby se prodloužila životnost baterie, jsou automobilové baterie navrženy s chladicím mechanismem, který udrží teplotu baterie na maximálně 45 °C. přizpůsobit nízkým teplotám -20 stupně C a méně, protože vnitřní odpor sekundárních baterií se při této teplotě obvykle zvyšuje a kapacita výrazně klesá. V současné době však vyvíjíme baterie s vynikajícími nízkoteplotními charakteristikami.
Vliv sazeb nabíjení a vybíjení:Baterie vozidel mají během používání různé rychlosti nabíjení a vybíjení a rozdíl v rychlosti nabíjení a vybíjení může ovlivnit proces degradace. IEC 62660-1 určuje režim rychlosti nabíjení a vybíjení pro baterie vozidla během používání. Naproti tomu baterie domácích spotřebičů se často používají v trvale nabitém stavu a udržování vysoké SOC je také faktorem, který vede k procesu degradace. Vzhledem k významnému vlivu tržních podmínek na životnost baterie je nutné prostudovat podmínky zrychleného testování, které mohou tato tržní prostředí předvídat.
5. Testování životnosti sekundární baterie a model zrychlení
Přehled testovacích charakteristik a modelů zrychlení:Testování sekundární životnosti baterie se zaměřuje především na dvě základní charakteristiky: životnost (kalendářní životnost) a životnost cyklu nabíjení a vybíjení. Doba skladování souvisí s degradací související s teplotou. Jako model zrychlení se používá Arrheniusův model. Předpokládá se, že skladovatelnost je určena zvýšením vnitřního odporu způsobeného růstem obličejové masky na povrchu elektrody. Růst filmu je způsoben chemickou reakcí. Zrychlená testovací teplota je vyšší než provozní teplota, ale maximální teplota lithium-iontové sekundární baterie je obvykle omezena na 55-60 stupeň C, při jejímž překročení nebude efekt zrychlení generován kvůli postupu různých chemických reakcí. . Metoda extrapolace založená na lineární degradaci stárnutí se používá pro predikci dlouhodobé životnosti (jako v případě lineárního vztahu s druhou odmocninou doby stárnutí). Při praktickém použití je však třeba vzít v úvahu životnost cyklu vybíjení nabití a samotný model Arrhenius nemůže plně vyjádřit skutečnou situaci, jako jsou případy, kdy poměr doby skladování k životnosti cyklu vybíjení nabíjení je 9:1, a situace, kdy skladovací teplota má významný vliv. Kromě modelu Arrhenius existují různé modely zrychlení pro elektronické součástky a jejich použití a kombinace jsou určeny degradačními faktory. Při vytváření modelů zrychlení je důležité identifikovat degradační faktory, jako je vlhkost a opakované mechanické namáhání.
Omezení modelů zrychlení a výzvy v predikci životnosti baterie:Při použití modelů zrychlení pro predikci životnosti jsou faktory jako hlavní faktory zjednodušeny, což vede k významným chybám ve výsledcích výpočtů. Elektronické součástky někdy používají trojité výsledky výpočtů jako hodnocení bezpečnostní rezervy. Výkon bateriových produktů je však relativně malý ve srovnání s požadovanou rezervou životnosti baterie a je zapotřebí přesná předpověď. V současné době je extrémně obtížné vytvořit metodu předpovědi, která určuje 10-letou životnost. Protože se však vývojáři snaží zajistit, aby výkonnostní rozpětí životnosti převyšovalo poptávku trhu, očekává se, že výkon baterie se bude dále zlepšovat.
6. Shrnutí
Důvody obtíží při zrychleném testování sekundárních baterií
V porovnání s podobným testováním elektronických součástek nebo zařízení je dlouhodobé zrychlené testování sekundárních baterií v současnosti obtížnější, a to zejména z důvodu následujících faktorů:
- Predikce životnosti baterie obvykle není založena na simulaci drsnějších prostředí nebo násobení bezpečnostních faktorů, jako jsou elektronické součástky a zařízení, pravděpodobně kvůli nedostatku dostatečné rezervy pro aktuální životnost baterie vzhledem k poptávce trhu.
- Stále existuje mnoho nejasných kauzálních vztahů mezi degradačními jevy a degradačními faktory, které mohou být způsobeny obtížnou analýzou poruch degradovaných baterií a omezeným počtem případů.
- Vzhledem k vysoké rychlosti vývoje baterií, změnám ve struktuře materiálu a dříve zmíněným potížím s analýzou chyb nebyla provedena dostatečná ověřovací práce na korelaci mezi údaji o degradaci trhu.