Resum
Amb l'augment dels vehicles elèctrics i els vehicles híbrids endollables, la vida útil objectiu de les bateries secundàries és d'almenys 10 anys, i s'espera que aquests vehicles es popularitzin àmpliament en el futur. Les bateries no portàtils també tenen una demanda de llarga vida útil, cosa que fa que les proves d'acceleració de les bateries secundàries siguin molt esperades. Aquest article compara les proves d'acceleració de semiconductors, components electrònics i dispositius electrònics, i elabora l'estat actual i els problemes de les proves d'acceleració per a bateries secundàries d'ions de liti.
1. Introducció
La investigació i la fabricació de bateries secundàries d'ions de liti han avançat ràpidament en la millora del rendiment. Tot i que garantir la seguretat és el tema més important de les bateries secundàries d'ions de liti, la vida útil objectiu de les bateries secundàries d'ions de liti utilitzades en vehicles elèctrics i vehicles híbrids endollables (un mercat en creixement i molt esperat) és de 10 a 15 anys. Per a les bateries no portàtils, es requereix una vida útil mínima de 6 anys. Aquestes exigències generaran expectatives creixents en les proves accelerades en els propers anys. En canvi, en el camp de les proves accelerades de components i dispositius electrònics, dilucidar els mecanismes de degradació i els factors d'acceleració de paràmetres com la unió de semiconductors/soldadura i l'aïllament de la placa de circuit imprès pot ajudar a avançar en la tecnologia de predicció de la vida. A diferència dels components i dispositius electrònics, les bateries secundàries no tenen prou exemples i teories del sistema per a la predicció de degradació/vida i proves d'acceleració. Aquest article descriu la situació actual i els problemes de les proves accelerades de bateries secundàries d'ions de liti comparant-les amb les proves accelerades de semiconductors, components electrònics i dispositius electrònics.
2. Definició de degradació
JIS C 8711 (que cobreix les bateries secundàries de liti per a dispositius portàtils) proporciona un exemple d'avaluació de la vida útil de la bateria secundària, on la finalització de la vida útil de la bateria es defineix com el moment en què la capacitat baixa al 60% de la capacitat inicial durant els cicles de càrrega i descàrrega. Per a la degradació de les bateries emmagatzemades a temperatura constant després de ser carregades per un mètode predeterminat, també es defineixen els valors del 70% per a cel·les individuals i del 60% per a les bateries. Els estàndards d'avaluació de la degradació dels fabricants solen ser més estrictes que aquests valors, com ara utilitzar valors com el 80%. A causa del fet que la taxa de degradació de les bateries durant l'emmagatzematge a llarg termini és proporcional al seu estat de càrrega (SOC), les bateries secundàries estan dissenyades per adaptar-se a l'entorn d'ús, cosa que els permet mantenir un SOC baix i suportar un ús a llarg termini. Sempre que el valor de degradació de la bateria compleixi els estàndards establerts, es considera que funciona amb normalitat. La visió general és que les bateries són consumibles i la seva capacitat disminueix inevitablement. La figura 1 mostra un exemple de corba de descàrrega d'una bateria secundària d'ions de liti.
3. Factors i mecanismes de degradació
Cada component de les bateries secundàries d'ions de liti té diversos factors de degradació, i és difícil classificar-los simplement. La possible raó d'aquesta dificultat és que hi ha pocs casos d'anàlisi d'errors, ja que és difícil desmuntar la bateria sense afectar el seu estat intern, i la relació entre els mecanismes de degradació específics i la durada de la bateria no sempre és clara. En canvi, la situació dels components electrònics és força diferent. Hi ha molts casos d'anàlisi d'errors per a components electrònics i, amb la millora de la tecnologia d'anàlisi, també s'ha desenvolupat la tecnologia de fiabilitat i la tecnologia de predicció de vida.
La figura 2 mostra l'estructura d'una bateria secundària d'ions de liti. Segons els informes, l'augment de la resistència interna causat pel creixement de les membranes a la superfície de l'elèctrode és un factor de degradació típic de les bateries secundàries d'ions de liti. Altres fenòmens possibles inclouen els canvis en l'estructura cristal·lina de la substància activa, així com la delaminació del material de l'elèctrode o la interfície del col·lector de corrent. Com que alguns fenòmens de degradació són provocats per electròlits o membranes, cal estimar aquests motius a partir d'avaluacions característiques o d'estructures materials. Aquests tipus de degradació poden coexistir durant els cicles de descàrrega de càrrega. Els mètodes per mesurar l'augment de la resistència interna inclouen el mètode de resistència de corrent continu (DC-IR) i el mètode d'impedància de corrent altern. A causa del nombre limitat de casos d'anàlisi de fallades, la relació causal entre els fenòmens de degradació i els llocs de degradació encara no està clara. Tanmateix, el mètode d'impedància de CA és una tècnica prometedora per mesurar els fenòmens interns de la bateria relacionats amb els factors esmentats anteriorment.
4. L'impacte de l'entorn d'ús de la bateria secundària d'ió de liti en la durada de la bateria
Impacte de la temperatura d'emmagatzematge:La temperatura d'emmagatzematge és un factor de degradació important per a les bateries secundàries d'ions de liti. S'espera que la temperatura de l'entorn d'ús interior assoleixi un màxim d'uns 40 graus C, mentre que les bateries dels dispositius mòbils o exteriors s'enfronten a entorns més durs. Les característiques a llarg termini de les bateries secundàries d'ió de liti actuals es degraden ràpidament a 40-60 graus C. Per tant, les normes de prova com ara JIS 8711 i IEC 62660-1 (utilitzades per a proves de rendiment de bateries individuals en vehicles elèctrics) estipuleu que la temperatura de la prova de vida a llarg termini ha d'estar entre 40-45 graus C. Per allargar la vida de la bateria, les bateries dels vehicles estan dissenyades amb un mecanisme de refrigeració per mantenir la temperatura de la bateria no més de 45 graus C. Les bateries dels vehicles encara s'han d'adaptar a temperatures baixes de -20 graus C o inferiors, ja que la resistència interna de les bateries secundàries sol augmentar i la capacitat disminueix significativament a aquesta temperatura. Tanmateix, actualment estem desenvolupant bateries amb excel·lents característiques de baixa temperatura.
L'impacte de les taxes de càrrega i descàrrega:Les bateries dels vehicles tenen diferents velocitats de càrrega i descàrrega durant l'ús, i la diferència de velocitats de càrrega i descàrrega pot afectar el procés de degradació. L'IEC 62660-1 especifica el mode de velocitat de càrrega i descàrrega de les bateries del vehicle durant l'ús. En canvi, les bateries d'electrodomèstics sovint s'utilitzen en estat de càrrega contínua, i mantenir un alt SOC també és un factor que condueix al procés de degradació. A causa de l'impacte important de les condicions del mercat en la durada de la bateria, cal estudiar les condicions de prova accelerades que puguin anticipar aquests entorns de mercat.
5. Model d'acceleració i prova de durada de la bateria secundària
Visió general de les característiques de prova i els models d'acceleració:Les proves de durada de la bateria secundària se centren principalment en dues característiques bàsiques: la vida útil d'emmagatzematge (vida natural) i la vida del cicle de descàrrega de càrrega. La vida d'emmagatzematge està relacionada amb la degradació relacionada amb la temperatura. El model d'Arrhenius s'utilitza com a model d'acceleració. Es creu que la vida d'emmagatzematge està determinada per l'augment de la resistència interna causada pel creixement de la màscara facial a la superfície de l'elèctrode. El creixement de la pel·lícula és causat per una reacció química. La temperatura de prova accelerada és superior a la temperatura de servei, però la temperatura màxima de la bateria secundària d'ions de liti normalment es limita a 55-60 graus C, més enllà dels quals no es generarà l'efecte d'acceleració a causa del progrés de diferents reaccions químiques. . El mètode d'extrapolació basat en la degradació de l'envelliment lineal s'utilitza per a la predicció de la vida a llarg termini (com el cas amb una relació lineal amb l'arrel quadrada del temps d'envelliment). Tanmateix, en l'ús pràctic, s'ha de tenir en compte la vida del cicle de descàrrega de càrrega, i el model d'Arrhenius per si sol no pot expressar completament la situació real, com ara els casos en què la relació entre la vida útil d'emmagatzematge i la vida del cicle de descàrrega de càrrega és de 9:1 i les situacions en què la temperatura d'emmagatzematge té un impacte important. A més del model d'Arrhenius, hi ha diversos models d'acceleració per a components electrònics, i el seu ús i combinació estan determinats per factors de degradació. És important identificar factors de degradació com la humitat i l'estrès mecànic repetit quan es creen models d'acceleració.
Limitacions dels models d'acceleració i reptes en la predicció de la durada de la bateria:Quan s'utilitzen models d'acceleració per a la predicció de la vida, els factors es simplifiquen com a factors principals, donant lloc a errors significatius en els resultats de càlcul. Els components electrònics de vegades utilitzen resultats de càlcul triple com a avaluacions del marge de seguretat. No obstant això, el rendiment dels productes de bateries és relativament petit en comparació amb el marge de vida útil de la bateria requerit, i cal una predicció precisa. Actualment, és extremadament difícil crear un mètode de predicció que determini una vida útil 10-any. Tanmateix, a mesura que els desenvolupadors s'esforcen per garantir que el marge de rendiment de la vida útil superi la demanda del mercat, s'espera que el rendiment de la bateria millori encara més.
6. Resum
Motius de dificultat en les proves accelerades de bateries secundàries
En comparació amb proves similars de components o dispositius electrònics, les proves accelerades a llarg termini de bateries secundàries són actualment més difícils, principalment a causa dels factors següents:
- La predicció de la durada de la bateria normalment no es basa en simular entorns més durs o multiplicar factors de seguretat com components i dispositius electrònics, possiblement a causa d'una manca de marge suficient per al rendiment actual de la vida útil de la bateria en relació amb la demanda del mercat.
- Encara hi ha moltes relacions causals poc clares entre els fenòmens de degradació i els factors de degradació, que poden ser degudes a la dificultat en l'anàlisi de fallades de les bateries degradades i al nombre limitat de casos.
- A causa de la ràpida velocitat de desenvolupament de les bateries, els canvis en l'estructura del material i les dificultats en l'anàlisi de fallades esmentades anteriorment, s'ha fet un treball de verificació insuficient sobre la correlació entre les dades de degradació del mercat.