Abstrakt
Med fremveksten av elektriske kjøretøyer og plug-in hybridbiler, er mållevetiden for sekundære batterier minst 10 år, og slike kjøretøy forventes å bli mye populært i fremtiden. Ikke-bærbare batterier har også et krav om lang levetid, noe som gjør akselerasjonstesting av sekundære batterier svært etterlengtet. Denne artikkelen sammenligner akselerasjonstesting av halvledere, elektroniske komponenter og elektroniske enheter, og utdyper gjeldende status og problemer med akselerasjonstesting for litium-ion sekundære batterier.
1. Introduksjon
Forskningen og produksjonen av litium-ion sekundære batterier har gjort raske fremskritt i å forbedre ytelsen. Selv om å sikre sikkerhet er det viktigste problemet for litium-ion sekundære batterier, er mållevetiden for litium-ion sekundære batterier brukt i elektriske kjøretøy og plug-in hybridbiler (et voksende og etterlengtet marked) 10 til 15 år. For ikke-bærbare batterier kreves en minimumslevetid på 6 år. Disse kravene vil sette økende forventninger til akselerert testing i årene som kommer. I motsetning til dette, innen akselerert testing av elektroniske komponenter og enheter, kan det å belyse nedbrytningsmekanismene og akselerasjonsfaktorene til parametere som halvleder-/loddemetallbinding og kretskortisolasjon bidra til å fremme livsforutsigelsesteknologi. I motsetning til elektroniske komponenter og enheter, mangler sekundære batterier tilstrekkelige eksempler og systemteorier for degradering/levetidsprediksjon og akselerasjonstesting. Denne artikkelen beskriver den nåværende situasjonen og problemene med akselerert testing av litium-ion sekundære batterier ved å sammenligne den med akselerert testing av halvledere, elektroniske komponenter og elektroniske enheter.
2. Definisjon av degradering
JIS C 8711 (som dekker sekundære litiumbatterier for bærbare enheter) gir et eksempel på vurdering av sekundær batterilevetid, der batterilevetid er definert som tidspunktet når kapasiteten synker til 60 % av den opprinnelige kapasiteten under lade- og utladingssykluser. For degradering av batterier som er lagret ved en konstant temperatur etter å ha blitt ladet med en forhåndsbestemt metode, er også verdiene på 70 % for enkeltceller og 60 % for batteripakker definert. Produsenters standarder for vurdering av forringelse er vanligvis strengere enn disse verdiene, for eksempel å bruke verdier som 80 %. På grunn av det faktum at nedbrytningshastigheten til batterier under langtidslagring er proporsjonal med deres ladetilstand (SOC), er sekundære batterier designet for å matche bruksmiljøet, slik at de kan opprettholde lav SOC og tåle langvarig bruk. Så lenge degraderingsverdien til batteriet oppfyller de fastsatte standardene, anses det å fungere normalt. Den generelle oppfatningen er at batterier er forbruksvarer og at deres kapasitet uunngåelig reduseres. Figur 1 viser et eksempel på en utladningskurve for et litiumion-sekundærbatteri.
3. Nedbrytningsfaktorer og mekanismer
Hver komponent i litium-ion sekundære batterier har flere nedbrytningsfaktorer, og det er vanskelig å klassifisere dem enkelt. Den mulige årsaken til denne vanskeligheten er at det er få tilfeller av feilanalyse, da det er vanskelig å demontere batteriet uten å påvirke dets interne tilstand, og forholdet mellom spesifikke degraderingsmekanismer og batterilevetid er ikke alltid klart. Derimot er situasjonen med elektroniske komponenter ganske annerledes. Det er mange feilanalysetilfeller for elektroniske komponenter, og med forbedring av analyseteknologi er det også utviklet pålitelighetsteknologi og livsprediksjonsteknologi.
Figur 2 viser strukturen til et litium-ion sekundærbatteri. I følge rapporter er økningen i indre motstand forårsaket av vekst av membraner på elektrodeoverflaten en typisk nedbrytningsfaktor for litium-ion sekundære batterier. Andre mulige fenomener inkluderer endringer i krystallstrukturen til det aktive stoffet, samt delaminering ved elektrodematerialet eller strømkollektorgrensesnittet. På grunn av at noen nedbrytningsfenomener er forårsaket av elektrolytter eller membraner, er det nødvendig å estimere disse årsakene fra karakteristiske evalueringer eller materialstrukturer. Disse typer degradering kan eksistere side om side under ladeutladningssykluser. Metodene for å måle økningen i intern motstand inkluderer likestrømsresistansmetoden (DC-IR) og vekselstrømimpedansmetoden. På grunn av det begrensede antallet feilanalysetilfeller er årsakssammenhengen mellom nedbrytningsfenomener og nedbrytningssteder fortsatt uklar. AC-impedansmetoden er imidlertid en lovende teknikk for å måle interne batterifenomener relatert til de nevnte faktorene.
4. Virkningen av litium-ion sekundært batteribruksmiljø på batterilevetiden
Innvirkning på lagringstemperatur:Lagringstemperatur er en viktig degraderingsfaktor for litium-ion sekundære batterier. Innendørs bruksmiljøtemperaturen forventes å nå et maksimum på ca. 40 grader C, mens batterier i utendørs eller mobile enheter møter mer tøffe miljøer. De langsiktige egenskapene til nåværende litium-ion sekundærbatterier brytes raskt ned ved 40-60 grader C. Derfor tester standarder som JIS 8711 og IEC 62660-1 (brukes til ytelsestesting av enkeltbatterier i elektriske kjøretøyer) fastsette at den langsiktige testtemperaturen skal være mellom 40-45 grader C. For å forlenge batterilevetiden er bilbatterier utformet med en kjølemekanisme for å opprettholde batteritemperaturen på ikke mer enn 45 grader C. Bilbatterier må fortsatt tilpasse seg lave temperaturer på -20 grader C og lavere, ettersom den interne motstanden til sekundære batterier vanligvis øker og kapasiteten reduseres betydelig ved denne temperaturen. Imidlertid utvikler vi for tiden batterier med utmerkede lavtemperaturegenskaper.
Effekten av lade- og utladningshastigheter:Bilbatterier har forskjellige lade- og utladingshastigheter under bruk, og forskjellen i lade- og utladingshastigheter kan påvirke nedbrytningsprosessen. IEC 62660-1 angir lade- og utladingshastighetsmodus for kjøretøybatterier under bruk. Derimot brukes batterier til husholdningsapparater ofte i en kontinuerlig ladet tilstand, og å opprettholde høy SOC er også en faktor som fører til nedbrytningsprosessen. På grunn av den betydelige innvirkningen markedsforholdene har på batterilevetiden, er det nødvendig å studere akselererte testforhold som kan forutse disse markedsmiljøene.
5. Sekundær batterilevetid testing og akselerasjonsmodell
Oversikt over testegenskaper og akselerasjonsmodeller:Sekundær batterilevetid-testing fokuserer hovedsakelig på to grunnleggende egenskaper: lagringstid (kalenderlevetid) og ladeutladningssyklus. Lagringstiden er relatert til temperaturrelatert nedbrytning. Arrhenius-modellen brukes som akselerasjonsmodell. Det antas at lagringstiden bestemmes av økningen i indre motstand forårsaket av veksten av ansiktsmasken på elektrodeoverflaten. Filmveksten er forårsaket av kjemisk reaksjon. Den akselererte testtemperaturen er høyere enn driftstemperaturen, men maksimumstemperaturen til litiumion-sekundærbatteriet er vanligvis begrenset til 55-60 grader C, utover dette vil akselerasjonseffekten ikke genereres på grunn av fremdriften av forskjellige kjemiske reaksjoner . Ekstrapolasjonsmetoden basert på den lineære aldringsdegraderingen brukes for prediksjon av langsiktig levetid (slik som tilfellet med en lineær sammenheng med kvadratroten av aldringstiden). I praktisk bruk må imidlertid ladeutladningssyklusens levetid vurderes, og Arrhenius-modellen alene kan ikke fullt ut uttrykke den faktiske situasjonen, for eksempel tilfeller der forholdet mellom lagringstid og ladeutladningssyklus er 9:1, og situasjoner der lagringstemperatur har en betydelig innvirkning. I tillegg til Arrhenius-modellen finnes det ulike akselerasjonsmodeller for elektroniske komponenter, og deres bruk og kombinasjon bestemmes av nedbrytningsfaktorer. Det er viktig å identifisere nedbrytningsfaktorer som fuktighet og gjentatte mekaniske påkjenninger når man lager akselerasjonsmodeller.
Begrensninger for akselerasjonsmodeller og utfordringer i prediksjon av batterilevetid:Ved bruk av akselerasjonsmodeller for livsprediksjon forenkles faktorer som hovedfaktorer, noe som resulterer i betydelige feil i beregningsresultatene. Elektroniske komponenter bruker noen ganger trippelberegningsresultater som sikkerhetsmarginevalueringer. Imidlertid er ytelsen til batteriprodukter relativt liten sammenlignet med den nødvendige marginen for batterilevetid, og nøyaktig prediksjon er nødvendig. For øyeblikket er det ekstremt vanskelig å lage en prediksjonsmetode som bestemmer en 10-års levetid. Men ettersom utviklere streber etter å sikre at ytelsesmarginen for levetid overstiger markedets etterspørsel, forventes batteriytelsen å forbedre seg ytterligere.
6. Sammendrag
Årsaker til vanskeligheter med akselerert testing av sekundære batterier
Sammenlignet med lignende testing av elektroniske komponenter eller enheter, er langsiktig akselerert testing av sekundære batterier for tiden vanskeligere, hovedsakelig på grunn av følgende faktorer:
- Forutsigelse av batterilevetid er vanligvis ikke basert på å simulere tøffere miljøer eller multiplisere sikkerhetsfaktorer som elektroniske komponenter og enheter, muligens på grunn av mangel på tilstrekkelig margin for nåværende batterilevetid i forhold til markedets etterspørsel.
- Det er fortsatt mange uklare årsakssammenhenger mellom nedbrytningsfenomener og nedbrytningsfaktorer, noe som kan skyldes vanskeligheten med feilanalyse av degraderte batterier og det begrensede antallet tilfeller.
- På grunn av den raske utviklingshastigheten til batterier, endringer i materialstruktur og vanskeligheter med feilanalyse nevnt tidligere, har det ikke blitt utført tilstrekkelig verifiseringsarbeid på korrelasjonen mellom data for markedsnedbrytning.