Резюме
С нарастването на електрическите превозни средства и plug-in хибридните превозни средства, целевият експлоатационен живот на вторичните батерии е най-малко 10 години и се очаква такива превозни средства да бъдат широко популяризирани в бъдеще. Непреносимите батерии също имат изискване за дълъг експлоатационен живот, което прави тестовете за ускорение на вторичните батерии дългоочаквани. Тази статия сравнява тестовете за ускорение на полупроводници, електронни компоненти и електронни устройства и разработва текущото състояние и проблемите на тестовете за ускорение на литиево-йонни вторични батерии.
1. Въведение
Изследванията и производството на литиево-йонни вторични батерии постигнаха бърз напредък в подобряването на производителността. Въпреки че осигуряването на безопасност е най-важният въпрос за литиево-йонните вторични батерии, целевият живот на литиево-йонните вторични батерии, използвани в електрически превозни средства и хибридни превозни средства (разрастващ се и дългоочакван пазар), е 10 до 15 години. За непреносими батерии се изисква минимален експлоатационен живот от 6 години. Тези изисквания ще поставят нарастващи очаквания за ускорено тестване през следващите години. За разлика от това, в областта на ускореното тестване на електронни компоненти и устройства, изясняването на механизмите на деградация и факторите на ускоряване на параметри като свързване на полупроводник/спойка и изолация на печатни платки може да помогне за напредъка на технологията за прогнозиране на живота. За разлика от електронните компоненти и устройства, вторичните батерии нямат достатъчно примери и системни теории за влошаване/прогнозиране на живота и тестване на ускорението. Тази статия описва текущата ситуация и проблемите на ускореното тестване на литиево-йонни вторични батерии, като го сравнява с ускореното тестване на полупроводници, електронни компоненти и електронни устройства.
2. Определение за разграждане
JIS C 8711 (обхващащ литиеви вторични батерии за преносими устройства) предоставя пример за оценка на живота на вторичната батерия, където прекратяването на живота на батерията се определя като момент от време, когато капацитетът падне до 60% от първоначалния капацитет по време на циклите на зареждане и разреждане. За разграждането на батерии, съхранявани при постоянна температура след зареждане по предварително определен метод, също са определени стойностите от 70% за единични клетки и 60% за батерийни пакети. Стандартите на производителите за оценка на разграждането обикновено са по-строги от тези стойности, като например се използват стойности като 80%. Поради факта, че степента на разграждане на батериите по време на дългосрочно съхранение е пропорционална на тяхното състояние на зареждане (SOC), вторичните батерии са проектирани да отговарят на средата на използване, което им позволява да поддържат ниско SOC и да издържат на продължителна употреба. Докато стойността на разграждане на батерията отговаря на зададените стандарти, се счита, че тя работи нормално. Общото мнение е, че батериите са консуматив и капацитетът им неминуемо намалява. Фигура 1 показва примерна крива на разреждане на литиево-йонна вторична батерия.
3. Фактори и механизми на разграждане
Всеки компонент на литиево-йонните вторични батерии има няколко фактора на разграждане и е трудно да се класифицират просто. Възможната причина за тази трудност е, че има малко случаи на анализ на повреда, тъй като е трудно да се разглоби батерията, без да се повлияе на нейното вътрешно състояние, и връзката между специфичните механизми на разграждане и живота на батерията не винаги е ясна. За разлика от тях, ситуацията с електронните компоненти е съвсем различна. Има много случаи на анализ на неизправности за електронни компоненти и с подобряването на технологията за анализ също са разработени технология за надеждност и технология за прогнозиране на живота.
Фигура 2 показва структурата на литиево-йонна вторична батерия. Според докладите увеличаването на вътрешното съпротивление, причинено от растежа на мембраните върху повърхността на електрода, е типичен фактор за разграждане на литиево-йонните вторични батерии. Други възможни явления включват промени в кристалната структура на активното вещество, както и разслояване на материала на електрода или интерфейса на токоприемника. Поради някои явления на разграждане, причинени от електролити или мембрани, е необходимо да се оценят тези причини от характерни оценки или структури на материала. Тези видове разграждане могат да съществуват едновременно по време на циклите на зареждане и разреждане. Методите за измерване на увеличението на вътрешното съпротивление включват метод на съпротивление при постоянен ток (DC-IR) и метод на импеданс на променлив ток. Поради ограничения брой случаи на анализ на грешки, причинно-следствената връзка между явленията на разграждане и местата на разграждане все още е неясна. Въпреки това, методът на импеданса на променлив ток е обещаваща техника за измерване на вътрешни явления на батерията, свързани с гореспоменатите фактори.
4. Въздействието на средата за използване на литиево-йонна вторична батерия върху живота на батерията
Въздействие на температурата на съхранение:Температурата на съхранение е важен фактор за разграждане на литиево-йонните вторични батерии. Очаква се температурата на околната среда за използване на закрито да достигне максимум около 40 градуса C, докато батериите на външни или мобилни устройства са изправени пред по-сурови среди. Дългосрочните характеристики на настоящите литиево-йонни вторични батерии се влошават бързо при 40-60 градуса C. Следователно стандарти за изпитване като JIS 8711 и IEC 62660-1 (използвани за тестване на ефективността на единични батерии в електрически превозни средства) определят, че температурата на теста за дългосрочен живот трябва да бъде между 40-45 градуса C. За да се удължи живота на батерията, батериите на превозните средства са проектирани с охлаждащ механизъм, за да поддържат температурата на батерията не повече от 45 градуса C. Батериите на превозните средства все още трябва да се адаптират към ниски температури от -20 градуса C и по-ниски, тъй като вътрешното съпротивление на вторичните батерии обикновено се увеличава и капацитетът значително намалява при тази температура. В момента обаче разработваме батерии с отлични характеристики при ниски температури.
Въздействието на скоростта на зареждане и разреждане:Батериите на превозните средства имат различни скорости на зареждане и разреждане по време на употреба и разликата в скоростите на зареждане и разреждане може да повлияе на процеса на разграждане. IEC 62660-1 определя режима на скорост на зареждане и разреждане за акумулатори на превозни средства по време на употреба. За разлика от това, батериите на домакинските уреди често се използват в непрекъснато заредено състояние и поддържането на висок SOC също е фактор, който води до процеса на разграждане. Поради значителното въздействие на пазарните условия върху живота на батерията, е необходимо да се проучат условията за ускорено тестване, които могат да предвидят тези пазарни среди.
5. Тестване на вторичния живот на батерията и модел на ускорение
Преглед на тестовите характеристики и моделите на ускорение:Тестването на вторичния живот на батерията се фокусира главно върху две основни характеристики: живот на съхранение (календарен живот) и живот на цикъла на зареждане и разреждане. Срокът на съхранение е свързан с разграждането, свързано с температурата. Като модел на ускорението се използва моделът на Арениус. Смята се, че животът на съхранение се определя от увеличаването на вътрешното съпротивление, причинено от растежа на лицевата маска върху повърхността на електрода. Нарастването на филма се причинява от химическа реакция. Температурата на ускореното изпитване е по-висока от работната температура, но максималната температура на литиево-йонната вторична батерия обикновено е ограничена до 55-60 градуса C, над която няма да се генерира ефект на ускорение поради протичането на различни химични реакции . Методът на екстраполация, базиран на линейно влошаване на стареенето, се използва за дългосрочно прогнозиране на живота (като случая с линейна връзка с корен квадратен от времето на стареене). При практическа употреба обаче трябва да се вземе предвид животът на цикъла на зареждане и разреждане и моделът на Арениус сам по себе си не може да изрази напълно действителната ситуация, като например случаи, когато съотношението на живота на съхранение към живота на цикъла на зареждане и разреждане е 9:1 и ситуации, при които температурата на съхранение има значително влияние. В допълнение към модела на Арениус има различни модели на ускорение за електронни компоненти и тяхното използване и комбинация се определят от коефициентите на деградация. Важно е да се идентифицират фактори на разграждане като влажност и повтарящо се механично напрежение, когато се създават модели на ускорение.
Ограничения на моделите за ускорение и предизвикателства при прогнозирането на живота на батерията:Когато се използват модели на ускорение за прогнозиране на живота, факторите се опростяват като основни фактори, което води до значителни грешки в резултатите от изчисленията. Електронните компоненти понякога използват тройни резултати от изчисленията като оценки на границата на безопасност. Въпреки това, производителността на батерийните продукти е сравнително малка в сравнение с необходимия резерв за живот на батерията и е необходимо точно прогнозиране. Понастоящем е изключително трудно да се създаде метод за прогнозиране, който определя 10-годишен експлоатационен живот. Въпреки това, тъй като разработчиците се стремят да гарантират, че маржът на експлоатационната продължителност на живота надвишава пазарното търсене, се очаква производителността на батерията да се подобри допълнително.
6. Обобщение
Причини за затруднения при ускорено тестване на вторични батерии
В сравнение с подобно тестване на електронни компоненти или устройства, дългосрочното ускорено тестване на вторични батерии в момента е по-трудно, главно поради следните фактори:
- Прогнозата за живота на батерията обикновено не се основава на симулиране на по-сурови среди или умножаване на фактори за безопасност като електронни компоненти и устройства, вероятно поради липса на достатъчен марж за текущото представяне на живота на батерията спрямо пазарното търсене.
- Все още има много неясни причинно-следствени връзки между явленията на влошаване и факторите на влошаване, което може да се дължи на трудността при анализа на неизправностите на повредени батерии и ограничения брой случаи.
- Поради бързата скорост на развитие на батериите, промените в структурата на материала и трудностите при анализа на грешките, споменати по-рано, не е извършена достатъчно проверка на корелацията между данните за влошаване на пазара.