Sažetak
S porastom električnih vozila i plug-in hibridnih vozila, ciljni životni vijek sekundarnih baterija je najmanje 10 godina, a očekuje se da će takva vozila biti široko popularizirana u budućnosti. Neprijenosne baterije također imaju zahtjev za dug radni vijek, što čini ispitivanje ubrzanja sekundarnih baterija vrlo iščekivanim. Ovaj članak uspoređuje ispitivanje ubrzanja poluvodiča, elektroničkih komponenti i elektroničkih uređaja te razrađuje trenutno stanje i probleme ispitivanja ubrzanja za litij-ionske sekundarne baterije.
1. Uvod
Istraživanje i proizvodnja litij-ionskih sekundarnih baterija brzo su napredovali u poboljšanju performansi. Iako je osiguranje sigurnosti najvažnije pitanje za litij-ionske sekundarne baterije, ciljni životni vijek za litij-ionske sekundarne baterije koje se koriste u električnim vozilima i plug-in hibridnim vozilima (rastuće i dugo očekivano tržište) je 10 do 15 godina. Za neprenosive baterije potreban je minimalni životni vijek od 6 godina. Ovi će zahtjevi postaviti sve veća očekivanja u vezi s ubrzanim testiranjem u nadolazećim godinama. Nasuprot tome, u području ubrzanog testiranja elektroničkih komponenti i uređaja, razjašnjavanje mehanizama degradacije i faktora ubrzanja parametara kao što su spajanje poluvodiča/lema i izolacija tiskanih ploča može pomoći u unapređenju tehnologije predviđanja životnog vijeka. Za razliku od elektroničkih komponenti i uređaja, sekundarnim baterijama nedostaje dovoljno primjera i teorija sustava za predviđanje degradacije/života i testiranje ubrzanja. Ovaj članak opisuje trenutno stanje i probleme ubrzanog testiranja litij-ionskih sekundarnih baterija uspoređujući ga s ubrzanim ispitivanjem poluvodiča, elektroničkih komponenti i elektroničkih uređaja.
2. Definicija degradacije
JIS C 8711 (obuhvata litijeve sekundarne baterije za prijenosne uređaje) pruža primjer procjene vijeka trajanja sekundarne baterije, gdje se kraj vijeka baterije definira kao točka u vremenu kada kapacitet padne na 60% početnog kapaciteta tijekom ciklusa punjenja i pražnjenja. Za degradaciju baterija pohranjenih na konstantnoj temperaturi nakon punjenja unaprijed određenom metodom također su definirane vrijednosti od 70 % za pojedinačne ćelije i 60 % za pakete baterija. Standardi proizvođača za procjenu degradacije obično su stroži od ovih vrijednosti, kao što je korištenje vrijednosti poput 80%. Zbog činjenice da je stopa degradacije baterija tijekom dugotrajnog skladištenja proporcionalna njihovom stanju napunjenosti (SOC), sekundarne baterije su dizajnirane tako da odgovaraju okruženju uporabe, omogućujući im da održe nizak SOC i izdrže dugotrajnu upotrebu. Sve dok vrijednost degradacije baterije zadovoljava postavljene standarde, smatra se da radi normalno. Općenito je mišljenje da su baterije potrošni materijal i njihov kapacitet neminovno opada. Slika 1 prikazuje primjer krivulje pražnjenja litij-ionske sekundarne baterije.
3. Čimbenici i mehanizmi razgradnje
Svaka komponenta litij-ionskih sekundarnih baterija ima nekoliko faktora degradacije i teško ih je jednostavno klasificirati. Mogući razlog za ovu poteškoću je taj što postoji malo slučajeva analize grešaka, budući da je teško rastaviti bateriju bez utjecaja na njezino unutarnje stanje, a odnos između specifičnih mehanizama degradacije i trajanja baterije nije uvijek jasan. Nasuprot tome, situacija s elektroničkim komponentama je sasvim drugačija. Postoje mnogi slučajevi analize kvarova za elektroničke komponente, a s poboljšanjem tehnologije analize, tehnologija pouzdanosti i tehnologija predviđanja životnog vijeka također su razvijene.
Slika 2 prikazuje strukturu litij-ionske sekundarne baterije. Prema izvješćima, povećanje unutarnjeg otpora uzrokovano rastom membrana na površini elektrode tipičan je faktor degradacije litij-ionskih sekundarnih baterija. Ostali mogući fenomeni uključuju promjene u kristalnoj strukturi aktivne tvari, kao i raslojavanje na materijalu elektrode ili sučelju kolektora struje. Zbog nekih pojava degradacije uzrokovanih elektrolitima ili membranama, potrebno je procijeniti te razloge iz karakterističnih procjena ili strukture materijala. Ove vrste degradacije mogu koegzistirati tijekom ciklusa pražnjenja punjenja. Metode za mjerenje povećanja unutarnjeg otpora uključuju metodu otpora istosmjerne struje (DC-IR) i metodu impedancije izmjenične struje. Zbog ograničenog broja slučajeva analize kvarova, uzročna veza između pojava degradacije i mjesta degradacije još uvijek nije jasna. Međutim, metoda AC impedancije obećavajuća je tehnika za mjerenje fenomena unutarnje baterije povezanih s gore navedenim čimbenicima.
4. Utjecaj okruženja korištenja litij-ionske sekundarne baterije na trajanje baterije
Utjecaj temperature skladištenja:Temperatura skladištenja važan je faktor degradacije za litij-ionske sekundarne baterije. Očekuje se da će temperatura okoline unutarnje uporabe doseći najviše oko 40 stupnjeva C, dok se baterije u vanjskim ili mobilnim uređajima suočavaju s oštrijim okruženjima. Dugoročne karakteristike trenutnih litij-ionskih sekundarnih baterija brzo degradiraju na 40-60 stupnjeva C. Stoga, standardi ispitivanja kao što su JIS 8711 i IEC 62660-1 (koji se koriste za testiranje performansi pojedinačnih baterija u električnim vozilima) određuju da temperatura dugotrajnog ispitivanja treba biti između 40-45 stupnjeva C. Kako bi se produžio životni vijek baterije, baterije vozila dizajnirane su s mehanizmom za hlađenje za održavanje temperature baterije na najviše 45 stupnjeva C. Baterije vozila još uvijek se moraju prilagoditi niskim temperaturama od -20 stupnjeva C i nižim, budući da se unutarnji otpor sekundarnih baterija obično povećava, a kapacitet značajno opada na ovoj temperaturi. Međutim, trenutno razvijamo baterije s izvrsnim karakteristikama pri niskim temperaturama.
Utjecaj stopa punjenja i pražnjenja:Baterije vozila imaju različite stope punjenja i pražnjenja tijekom upotrebe, a razlika u brzinama punjenja i pražnjenja može utjecati na proces degradacije. IEC 62660-1 navodi brzinu punjenja i pražnjenja za baterije vozila tijekom upotrebe. Nasuprot tome, baterije kućanskih aparata često se koriste u kontinuirano napunjenom stanju, a održavanje visokog SOC-a također je faktor koji dovodi do procesa degradacije. Zbog značajnog utjecaja tržišnih uvjeta na trajanje baterije, potrebno je proučiti uvjete ubrzanog testiranja koji mogu predvidjeti ova tržišna okruženja.
5. Testiranje trajanja sekundarne baterije i model ubrzanja
Pregled karakteristika testiranja i modela ubrzanja:Testiranje trajanja sekundarne baterije uglavnom se usredotočuje na dvije osnovne karakteristike: vijek trajanja (kalendarski život) i život ciklusa punjenja i pražnjenja. Trajanje skladištenja povezano je s degradacijom uzrokovanom temperaturom. Kao model ubrzanja koristi se Arrheniusov model. Vjeruje se da je vijek trajanja određen povećanjem unutarnjeg otpora uzrokovanog rastom maske lica na površini elektrode. Rast filma uzrokovan je kemijskom reakcijom. Ubrzana ispitna temperatura viša je od radne temperature, ali maksimalna temperatura litij-ionske sekundarne baterije obično je ograničena na 55-60 stupnjeva C, iznad koje se neće generirati učinak ubrzanja zbog napretka različitih kemijskih reakcija . Metoda ekstrapolacije koja se temelji na linearnoj degradaciji starenja koristi se za dugoročno predviđanje životnog vijeka (kao što je slučaj s linearnim odnosom s kvadratnim korijenom vremena starenja). Međutim, u praktičnoj uporabi potrebno je uzeti u obzir životni vijek ciklusa punjenja i pražnjenja, a Arrheniusov model sam po sebi ne može u potpunosti izraziti stvarnu situaciju, kao što su slučajevi u kojima je omjer životnog vijeka skladištenja i životnog vijeka ciklusa punjenja i pražnjenja 9:1, i situacije u kojima temperatura skladištenja ima značajan utjecaj. Osim Arrheniusovog modela, postoje različiti modeli ubrzanja elektroničkih komponenti, a njihovu upotrebu i kombinaciju određuju faktori degradacije. Prilikom izrade modela ubrzanja važno je identificirati čimbenike degradacije kao što su vlaga i ponavljani mehanički stres.
Ograničenja modela ubrzanja i izazovi u predviđanju trajanja baterije:Kada se koriste modeli ubrzanja za predviđanje života, faktori su pojednostavljeni kao glavni faktori, što rezultira značajnim pogreškama u rezultatima izračuna. Elektroničke komponente ponekad koriste trostruke rezultate izračuna kao procjenu sigurnosne granice. Međutim, performanse baterijskih proizvoda relativno su male u usporedbi s potrebnom granicom trajanja baterije i potrebno je točno predviđanje. Trenutačno je iznimno teško stvoriti metodu predviđanja koja određuje 10-godišnji radni vijek. Međutim, budući da razvojni programeri nastoje osigurati da margina performansi životnog vijeka premašuje tržišnu potražnju, očekuje se daljnje poboljšanje performansi baterije.
6. Sažetak
Razlozi za poteškoće u ubrzanom testiranju sekundarnih baterija
U usporedbi sa sličnim testiranjem elektroničkih komponenti ili uređaja, dugoročno ubrzano testiranje sekundarnih baterija trenutno je teže, uglavnom zbog sljedećih čimbenika:
- Predviđanje trajanja baterije obično se ne temelji na simulaciji oštrijih okruženja ili umnožavanju sigurnosnih čimbenika kao što su elektroničke komponente i uređaji, vjerojatno zbog nedostatka dovoljne margine za trenutni radni vijek baterije u odnosu na tržišnu potražnju.
- Još uvijek postoje mnoge nejasne uzročne veze između pojava degradacije i čimbenika degradacije, što može biti posljedica poteškoća u analizi kvarova degradiranih baterija i ograničenog broja slučajeva.
- Zbog velike brzine razvoja baterija, promjena u strukturi materijala i poteškoća u analizi grešaka koje smo ranije spomenuli, nedovoljno je obavljeno verifikacijskog rada na korelaciji između podataka o degradaciji tržišta.