Abstrakcyjny
Wraz ze wzrostem liczby pojazdów elektrycznych i pojazdów hybrydowych typu plug-in docelowa żywotność akumulatorów wtórnych wynosi co najmniej 10 lat i oczekuje się, że pojazdy tego typu zostaną w przyszłości szeroko spopularyzowane. Akumulatory nieprzenośne również wymagają długiej żywotności, co sprawia, że testy przyspieszające akumulatorów wtórnych są bardzo oczekiwane. W artykule porównano badania akceleracyjne półprzewodników, elementów elektronicznych i urządzeń elektronicznych oraz omówiono aktualny stan i problemy badań akceleracyjnych wtórnych akumulatorów litowo-jonowych.
1. Wprowadzenie
Badania i produkcja wtórnych akumulatorów litowo-jonowych przyniosły szybki postęp w poprawie wydajności. Chociaż zapewnienie bezpieczeństwa jest najważniejszą kwestią w przypadku wtórnych akumulatorów litowo-jonowych, docelowa żywotność wtórnych akumulatorów litowo-jonowych stosowanych w pojazdach elektrycznych i pojazdach hybrydowych typu plug-in (rosnący i bardzo oczekiwany rynek) wynosi od 10 do 15 lat. W przypadku akumulatorów nieprzenośnych wymagany jest minimalny okres użytkowania wynoszący 6 lat. Wymagania te spowodują rosnące oczekiwania w stosunku do przyspieszonych testów w nadchodzących latach. Z drugiej strony, w dziedzinie przyspieszonego testowania komponentów i urządzeń elektronicznych, wyjaśnienie mechanizmów degradacji i czynników przyspieszających parametry, takie jak łączenie półprzewodników/lutów i izolacja płytek drukowanych, może pomóc w udoskonaleniu technologii przewidywania żywotności. W przeciwieństwie do komponentów i urządzeń elektronicznych, akumulatorom wtórnym brakuje wystarczających przykładów i teorii systemowych do przewidywania degradacji/życia i testowania przyspieszenia. W artykule opisano obecną sytuację i problemy przyspieszonego badania akumulatorów litowo-jonowych poprzez porównanie go z przyspieszonym badaniem półprzewodników, elementów elektronicznych i urządzeń elektronicznych.
2. Definicja degradacji
Norma JIS C 8711 (dotycząca wtórnych baterii litowych do urządzeń przenośnych) stanowi przykład oceny żywotności baterii wtórnych, gdzie zakończenie żywotności baterii definiuje się jako moment, w którym pojemność spada do 60% pojemności początkowej podczas cykli ładowania i rozładowywania. Dla degradacji akumulatorów przechowywanych w stałej temperaturze po ładowaniu określoną metodą określa się również wartości 70% dla pojedynczych ogniw i 60% dla zestawów akumulatorów. Normy producentów dotyczące oceny degradacji są zwykle bardziej rygorystyczne niż te wartości, np. przy użyciu wartości takich jak 80%. Ze względu na to, że tempo degradacji akumulatorów podczas długotrwałego przechowywania jest proporcjonalne do ich stanu naładowania (SOC), akumulatory wtórne projektowane są tak, aby pasowały do środowiska użytkowania, umożliwiając im utrzymanie niskiego poziomu SOC i wytrzymują długotrwałe użytkowanie. Dopóki wartość degradacji akumulatora spełnia ustalone standardy, uważa się, że działa on normalnie. Powszechnie panuje pogląd, że baterie to materiały eksploatacyjne, a ich pojemność nieuchronnie maleje. Rysunek 1 przedstawia przykładową krzywą rozładowania wtórnego akumulatora litowo-jonowego.
3. Czynniki i mechanizmy degradacji
Każdy element akumulatorów litowo-jonowych ma kilka współczynników degradacji i trudno je po prostu sklasyfikować. Możliwą przyczyną tej trudności jest niewielka liczba przypadków analizy usterek, ponieważ trudno jest rozebrać akumulator bez wpływu na jego stan wewnętrzny, a związek pomiędzy określonymi mechanizmami degradacji a żywotnością akumulatora nie zawsze jest jasny. Natomiast sytuacja z komponentami elektronicznymi jest zupełnie inna. Istnieje wiele przypadków analizy usterek komponentów elektronicznych, a wraz z udoskonaleniem technologii analizy opracowano także technologię niezawodności i technologię przewidywania żywotności.
Rysunek 2 przedstawia strukturę wtórnego akumulatora litowo-jonowego. Według doniesień wzrost rezystancji wewnętrznej spowodowany rozrostem membran na powierzchni elektrody jest typowym czynnikiem degradacji akumulatorów litowo-jonowych. Inne możliwe zjawiska obejmują zmiany w strukturze krystalicznej substancji czynnej, a także rozwarstwienie na materiale elektrody lub na styku kolektora prądu. Ze względu na pewne zjawiska degradacji powodowane przez elektrolity lub membrany, konieczne jest oszacowanie tych przyczyn na podstawie charakterystycznych ocen lub struktury materiału. Tego typu degradacja może współistnieć podczas cykli rozładowania. Do metod pomiaru przyrostu rezystancji wewnętrznej zalicza się metodę rezystancji prądu stałego (DC-IR) oraz metodę impedancji prądu przemiennego. Ze względu na ograniczoną liczbę przypadków analizy uszkodzeń związek przyczynowy pomiędzy zjawiskami degradacji a miejscami degradacji jest nadal niejasny. Jednakże metoda impedancji prądu przemiennego jest obiecującą techniką pomiaru zjawisk wewnętrznych baterii związanych z wyżej wymienionymi czynnikami.
4. Wpływ środowiska użytkowania baterii litowo-jonowej na żywotność baterii
Wpływ temperatury przechowywania:Temperatura przechowywania jest ważnym czynnikiem degradacji wtórnych akumulatorów litowo-jonowych. Oczekuje się, że temperatura środowiska użytkowania w pomieszczeniach zamkniętych osiągnie maksymalnie około 40 stopni C, podczas gdy baterie w urządzeniach zewnętrznych i mobilnych będą pracować w trudniejszych warunkach. Długoterminowe właściwości obecnych akumulatorów litowo-jonowych szybko się pogarszają w 40-60 stopniu C. Dlatego standardy testowania, takie jak JIS 8711 i IEC 62660-1 (stosowane do testowania wydajności pojedynczych akumulatorów w pojazdach elektrycznych) stanowią, że temperatura podczas długoterminowego testu żywotności powinna wynosić pomiędzy 40-45 stopni C. Aby wydłużyć żywotność akumulatorów, akumulatory pojazdów są wyposażone w mechanizm chłodzący, który utrzymuje temperaturę akumulatora na poziomie nie wyższym niż 45 stopni C. Akumulatory pojazdów nadal muszą przystosować się do niskich temperatur -20 stopnia C i poniżej, ponieważ w tej temperaturze zwykle wzrasta rezystancja wewnętrzna akumulatorów pomocniczych, a pojemność znacznie spada. Jednak obecnie opracowujemy akumulatory o doskonałych właściwościach niskotemperaturowych.
Wpływ szybkości ładowania i rozładowywania:Akumulatory samochodowe charakteryzują się różną szybkością ładowania i rozładowywania podczas użytkowania, a różnica w szybkościach ładowania i rozładowywania może mieć wpływ na proces degradacji. IEC 62660-1 określa tryb szybkości ładowania i rozładowywania akumulatorów pojazdów podczas użytkowania. Natomiast akumulatory do urządzeń gospodarstwa domowego są często używane w stanie ciągłego naładowania, a utrzymanie wysokiego SOC jest również czynnikiem prowadzącym do procesu degradacji. Ze względu na znaczący wpływ warunków rynkowych na żywotność baterii konieczne jest zbadanie warunków przyspieszonych testów, które pozwolą przewidzieć te środowiska rynkowe.
5. Testowanie żywotności baterii dodatkowej i model przyspieszania
Przegląd charakterystyk testowania i modeli przyspieszenia:Testowanie żywotności baterii wtórnej koncentruje się głównie na dwóch podstawowych cechach: czasie przechowywania (czasie kalendarzowym) i żywotności cyklu ładowania. Okres przechowywania jest powiązany z degradacją związaną z temperaturą. Jako model przyspieszenia zastosowano model Arrheniusa. Uważa się, że o okresie przechowywania decyduje wzrost oporu wewnętrznego spowodowany narastaniem maski twarzowej na powierzchni elektrody. Wzrost filmu jest spowodowany reakcją chemiczną. Temperatura testu przyspieszonego jest wyższa niż temperatura pracy, ale maksymalna temperatura akumulatora litowo-jonowego jest zwykle ograniczona do 55-60 stopnia C, powyżej którego efekt przyspieszenia nie będzie generowany ze względu na postęp różnych reakcji chemicznych . Do długoterminowego przewidywania trwałości wykorzystuje się metodę ekstrapolacji opartą na liniowej degradacji starzenia (np. w przypadku liniowej zależności z pierwiastkiem kwadratowym czasu starzenia). Jednakże w praktyce należy wziąć pod uwagę cykl życia w cyklu rozładowania, a sam model Arrheniusa nie jest w stanie w pełni wyrazić rzeczywistej sytuacji, na przykład przypadków, w których stosunek czasu przechowywania do cyklu życia w cyklu rozładowania wynosi 9:1, oraz sytuacji, w których temperatura przechowywania ma znaczący wpływ. Oprócz modelu Arrheniusa istnieją różne modele przyspieszania elementów elektronicznych, a ich zastosowanie i kombinacja są zdeterminowane współczynnikami degradacji. Podczas tworzenia modeli przyspieszenia ważne jest zidentyfikowanie czynników degradacji, takich jak wilgotność i powtarzające się naprężenia mechaniczne.
Ograniczenia modeli przyspieszenia i wyzwania w przewidywaniu żywotności baterii:Przy stosowaniu modeli przyspieszenia do przewidywania trwałości czynniki są upraszczane jako czynniki główne, co skutkuje znaczącymi błędami w wynikach obliczeń. Komponenty elektroniczne czasami wykorzystują potrójne wyniki obliczeń do oceny marginesu bezpieczeństwa. Jednakże wydajność produktów akumulatorowych jest stosunkowo niewielka w porównaniu z wymaganym marginesem żywotności baterii i potrzebne są dokładne prognozy. Obecnie niezwykle trudno jest stworzyć metodę przewidywania, która określałaby 10-letni okres użytkowania. Ponieważ jednak programiści starają się zapewnić, aby margines wydajności w zakresie żywotności przekraczał zapotrzebowanie rynku, oczekuje się, że wydajność baterii będzie dalsza poprawa.
6. Podsumowanie
Przyczyny trudności w przyspieszonym testowaniu akumulatorów wtórnych
W porównaniu z podobnymi testami komponentów lub urządzeń elektronicznych, długoterminowe przyspieszone testowanie baterii wtórnych jest obecnie trudniejsze, głównie ze względu na następujące czynniki:
- Przewidywanie żywotności baterii zwykle nie opiera się na symulacji trudniejszych warunków środowiskowych ani mnożeniu czynników bezpieczeństwa, takich jak komponenty i urządzenia elektroniczne, prawdopodobnie ze względu na brak wystarczającego marginesu dla aktualnej żywotności baterii w stosunku do zapotrzebowania rynku.
- Nadal istnieje wiele niejasnych związków przyczynowych pomiędzy zjawiskami degradacji a czynnikami degradacji, co może wynikać z trudności w analizie uszkodzeń akumulatorów zdegradowanych oraz ograniczonej liczby przypadków.
- Ze względu na szybki rozwój akumulatorów, zmiany w strukturze materiału i wspomniane wcześniej trudności w analizie usterek, nie przeprowadzono wystarczających prac weryfikacyjnych w zakresie korelacji pomiędzy danymi dotyczącymi degradacji rynku.