Περίληψη
Με την άνοδο των ηλεκτρικών οχημάτων και των plug-in υβριδικών οχημάτων, η στοχευόμενη διάρκεια ζωής των δευτερευουσών μπαταριών είναι τουλάχιστον 10 χρόνια και τέτοια οχήματα αναμένεται να γίνουν ευρέως δημοφιλή στο μέλλον. Οι μη φορητές μπαταρίες έχουν επίσης απαίτηση για μεγάλη διάρκεια ζωής, γεγονός που καθιστά τις δοκιμές επιτάχυνσης των δευτερευόντων μπαταριών ιδιαίτερα αναμενόμενο. Αυτό το άρθρο συγκρίνει τη δοκιμή επιτάχυνσης ημιαγωγών, ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και ηλεκτρονικών συσκευών και αναλύει την τρέχουσα κατάσταση και τα προβλήματα της δοκιμής επιτάχυνσης για δευτερεύουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
1. Εισαγωγή
Η έρευνα και η κατασκευή δευτερογενών μπαταριών ιόντων λιθίου έχουν σημειώσει ταχεία πρόοδο στη βελτίωση της απόδοσης. Αν και η διασφάλιση της ασφάλειας είναι το πιο σημαντικό ζήτημα για τις δευτερεύουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η στοχευόμενη διάρκεια ζωής για τις δευτερεύουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα και plug-in υβριδικά οχήματα (μια αναπτυσσόμενη και πολυαναμενόμενη αγορά) είναι 10 έως 15 χρόνια. Για μη φορητές μπαταρίες απαιτείται ελάχιστη διάρκεια ζωής 6 ετών. Αυτές οι απαιτήσεις θα δημιουργήσουν αυξανόμενες προσδοκίες για επιταχυνόμενες δοκιμές τα επόμενα χρόνια. Αντίθετα, στον τομέα των επιταχυνόμενων δοκιμών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και συσκευών, η αποσαφήνιση των μηχανισμών υποβάθμισης και των παραγόντων επιτάχυνσης παραμέτρων όπως η συγκόλληση ημιαγωγών/συγκόλλησης και η μόνωση της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος μπορεί να βοηθήσει στην προώθηση της τεχνολογίας πρόβλεψης ζωής. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συσκευές, οι δευτερεύουσες μπαταρίες δεν διαθέτουν επαρκή παραδείγματα και θεωρίες συστημάτων για πρόβλεψη υποβάθμισης/ζωής και δοκιμές επιτάχυνσης. Αυτό το άρθρο περιγράφει την τρέχουσα κατάσταση και τα προβλήματα των επιταχυνόμενων δοκιμών δευτερευόντων μπαταριών ιόντων λιθίου συγκρίνοντάς τα με επιταχυνόμενες δοκιμές ημιαγωγών, ηλεκτρονικών εξαρτημάτων και ηλεκτρονικών συσκευών.
2. Ορισμός της υποβάθμισης
Το JIS C 8711 (που καλύπτει τις δευτερεύουσες μπαταρίες λιθίου για φορητές συσκευές) παρέχει ένα παράδειγμα δευτερεύουσας αξιολόγησης διάρκειας ζωής της μπαταρίας, όπου ο τερματισμός της διάρκειας ζωής της μπαταρίας ορίζεται ως το χρονικό σημείο κατά το οποίο η χωρητικότητα πέφτει στο 60% της αρχικής χωρητικότητας κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης. Για την υποβάθμιση των μπαταριών που αποθηκεύονται σε σταθερή θερμοκρασία μετά τη φόρτισή τους με προκαθορισμένη μέθοδο, ορίζονται επίσης οι τιμές 70% για μεμονωμένες κυψέλες και 60% για πακέτα μπαταριών. Τα πρότυπα αξιολόγησης υποβάθμισης των κατασκευαστών είναι συνήθως αυστηρότερα από αυτές τις τιμές, όπως η χρήση τιμών όπως το 80%. Λόγω του γεγονότος ότι ο ρυθμός υποβάθμισης των μπαταριών κατά τη μακροχρόνια αποθήκευση είναι ανάλογος με την κατάσταση φόρτισής τους (SOC), οι δευτερεύουσες μπαταρίες έχουν σχεδιαστεί για να ταιριάζουν με το περιβάλλον χρήσης, επιτρέποντάς τους να διατηρούν χαμηλό SOC και να αντέχουν τη μακροχρόνια χρήση. Εφόσον η τιμή υποβάθμισης της μπαταρίας πληροί τα καθορισμένα πρότυπα, θεωρείται ότι λειτουργεί κανονικά. Η γενική άποψη είναι ότι οι μπαταρίες είναι αναλώσιμες και η χωρητικότητά τους μειώνεται αναπόφευκτα. Το σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα καμπύλης εκφόρτισης μιας δευτερεύουσας μπαταρίας ιόντων λιθίου.
3. Παράγοντες και μηχανισμοί αποδόμησης
Κάθε συστατικό των δευτερογενών μπαταριών ιόντων λιθίου έχει πολλούς παράγοντες υποβάθμισης και είναι δύσκολο να τους ταξινομήσουμε απλά. Ο πιθανός λόγος αυτής της δυσκολίας είναι ότι υπάρχουν λίγες περιπτώσεις ανάλυσης σφαλμάτων, καθώς είναι δύσκολο να αποσυναρμολογηθεί η μπαταρία χωρίς να επηρεαστεί η εσωτερική της κατάσταση και η σχέση μεταξύ συγκεκριμένων μηχανισμών υποβάθμισης και διάρκειας μπαταρίας δεν είναι πάντα σαφής. Αντίθετα, η κατάσταση με τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα είναι αρκετά διαφορετική. Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις ανάλυσης σφαλμάτων για ηλεκτρονικά εξαρτήματα και με τη βελτίωση της τεχνολογίας ανάλυσης, αναπτύχθηκε επίσης η τεχνολογία αξιοπιστίας και η τεχνολογία πρόβλεψης ζωής.
Το σχήμα 2 δείχνει τη δομή μιας δευτερεύουσας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Σύμφωνα με αναφορές, η αύξηση της εσωτερικής αντίστασης που προκαλείται από την ανάπτυξη μεμβρανών στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου είναι ένας τυπικός παράγοντας υποβάθμισης των δευτερογενών μπαταριών ιόντων λιθίου. Άλλα πιθανά φαινόμενα περιλαμβάνουν αλλαγές στην κρυσταλλική δομή της δραστικής ουσίας, καθώς και αποκόλληση στο υλικό του ηλεκτροδίου ή στη διεπιφάνεια του συλλέκτη ρεύματος. Λόγω ορισμένων φαινομένων αποδόμησης που προκαλούνται από ηλεκτρολύτες ή μεμβράνες, είναι απαραίτητο να εκτιμηθούν αυτοί οι λόγοι από χαρακτηριστικές αξιολογήσεις ή δομές υλικών. Αυτοί οι τύποι υποβάθμισης μπορεί να συνυπάρχουν κατά τη διάρκεια των κύκλων εκφόρτισης φορτίου. Οι μέθοδοι μέτρησης της αύξησης της εσωτερικής αντίστασης περιλαμβάνουν τη μέθοδο αντίστασης συνεχούς ρεύματος (DC-IR) και τη μέθοδο αντίστασης εναλλασσόμενου ρεύματος. Λόγω του περιορισμένου αριθμού περιπτώσεων ανάλυσης σφαλμάτων, η αιτιώδης σχέση μεταξύ των φαινομένων υποβάθμισης και των θέσεων υποβάθμισης είναι ακόμα ασαφής. Ωστόσο, η μέθοδος σύνθετης αντίστασης AC είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για τη μέτρηση φαινομένων εσωτερικών μπαταριών που σχετίζονται με τους προαναφερθέντες παράγοντες.
4. Ο αντίκτυπος του περιβάλλοντος χρήσης δευτερεύουσας μπαταρίας ιόντων λιθίου στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας
Επίπτωση στη θερμοκρασία αποθήκευσης:Η θερμοκρασία αποθήκευσης είναι ένας σημαντικός παράγοντας υποβάθμισης για τις δευτερεύουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος χρήσης σε εσωτερικούς χώρους αναμένεται να φτάσει το μέγιστο περίπου 40 βαθμούς C, ενώ οι μπαταρίες σε εξωτερικές ή φορητές συσκευές αντιμετωπίζουν πιο σκληρά περιβάλλοντα. Τα μακροπρόθεσμα χαρακτηριστικά των σημερινών δευτερογενών μπαταριών ιόντων λιθίου υποβαθμίζονται γρήγορα σε 40-60 βαθμό C. Επομένως, πρότυπα δοκιμών όπως το JIS 8711 και το IEC 62660-1 (χρησιμοποιούνται για δοκιμές απόδοσης μεμονωμένων μπαταριών σε ηλεκτρικά οχήματα) ορίζουν ότι η θερμοκρασία δοκιμής μακράς διάρκειας ζωής πρέπει να είναι μεταξύ 40-45 βαθμών C. Για να παρατείνεται η διάρκεια ζωής της μπαταρίας, οι μπαταρίες των οχημάτων έχουν σχεδιαστεί με μηχανισμό ψύξης για τη διατήρηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας σε όχι περισσότερο από 45 βαθμούς C. Οι μπαταρίες των οχημάτων πρέπει ακόμα να προσαρμοστούν σε χαμηλές θερμοκρασίες -20 βαθμών C και κάτω, καθώς η εσωτερική αντίσταση των δευτερευουσών μπαταριών συνήθως αυξάνεται και η χωρητικότητα μειώνεται σημαντικά σε αυτήν τη θερμοκρασία. Ωστόσο, αυτή τη στιγμή αναπτύσσουμε μπαταρίες με εξαιρετικά χαρακτηριστικά χαμηλής θερμοκρασίας.
Ο αντίκτυπος των ρυθμών φόρτισης και εκφόρτισης:Οι μπαταρίες των οχημάτων έχουν διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης κατά τη χρήση και η διαφορά στους ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης μπορεί να επηρεάσει τη διαδικασία υποβάθμισης. Το IEC 62660-1 καθορίζει τη λειτουργία ρυθμού φόρτισης και εκφόρτισης για τις μπαταρίες των οχημάτων κατά τη χρήση. Αντίθετα, οι μπαταρίες οικιακών συσκευών χρησιμοποιούνται συχνά σε κατάσταση συνεχούς φόρτισης και η διατήρηση υψηλού SOC είναι επίσης ένας παράγοντας που οδηγεί στη διαδικασία υποβάθμισης. Λόγω του σημαντικού αντίκτυπου των συνθηκών της αγοράς στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, είναι απαραίτητο να μελετηθούν οι επιταχυνόμενες συνθήκες δοκιμών που μπορούν να προβλέψουν αυτά τα περιβάλλοντα της αγοράς.
5. Δευτερεύουσα διάρκεια ζωής μπαταρίας και μοντέλο επιτάχυνσης
Επισκόπηση των χαρακτηριστικών δοκιμής και των μοντέλων επιτάχυνσης:Η δευτερεύουσα δοκιμή διάρκειας μπαταρίας επικεντρώνεται κυρίως σε δύο βασικά χαρακτηριστικά: διάρκεια αποθήκευσης (ημερολογιακή διάρκεια) και διάρκεια κύκλου εκφόρτισης. Η διάρκεια αποθήκευσης σχετίζεται με την υποβάθμιση που σχετίζεται με τη θερμοκρασία. Το μοντέλο Arrhenius χρησιμοποιείται ως μοντέλο επιτάχυνσης. Πιστεύεται ότι η διάρκεια αποθήκευσης καθορίζεται από την αύξηση της εσωτερικής αντίστασης που προκαλείται από την ανάπτυξη της μάσκας προσώπου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Η ανάπτυξη του φιλμ προκαλείται από χημική αντίδραση. Η επιταχυνόμενη θερμοκρασία δοκιμής είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία λειτουργίας, αλλά η μέγιστη θερμοκρασία της δευτερεύουσας μπαταρίας ιόντων λιθίου συνήθως περιορίζεται στους 55-60 βαθμούς C, πέραν του οποίου δεν θα δημιουργηθεί το φαινόμενο επιτάχυνσης λόγω της προόδου διαφορετικών χημικών αντιδράσεων . Η μέθοδος παρέκτασης που βασίζεται στη γραμμική υποβάθμιση της γήρανσης χρησιμοποιείται για μακροπρόθεσμη πρόβλεψη της ζωής (όπως στην περίπτωση μιας γραμμικής σχέσης με την τετραγωνική ρίζα του χρόνου γήρανσης). Ωστόσο, στην πρακτική χρήση, πρέπει να ληφθεί υπόψη η διάρκεια ζωής του κύκλου εκφόρτισης φόρτισης και το μοντέλο Arrhenius από μόνο του δεν μπορεί να εκφράσει πλήρως την πραγματική κατάσταση, όπως περιπτώσεις όπου ο λόγος της διάρκειας ζωής αποθήκευσης προς τη διάρκεια του κύκλου εκφόρτισης είναι 9:1 και καταστάσεις όπου Η θερμοκρασία αποθήκευσης έχει σημαντικό αντίκτυπο. Εκτός από το μοντέλο Arrhenius, υπάρχουν διάφορα μοντέλα επιτάχυνσης για ηλεκτρονικά εξαρτήματα και η χρήση και ο συνδυασμός τους καθορίζονται από παράγοντες υποβάθμισης. Είναι σημαντικό να προσδιορίζονται οι παράγοντες υποβάθμισης όπως η υγρασία και οι επαναλαμβανόμενες μηχανικές καταπονήσεις κατά τη δημιουργία μοντέλων επιτάχυνσης.
Περιορισμοί μοντέλων επιτάχυνσης και προκλήσεις στην πρόβλεψη διάρκειας ζωής της μπαταρίας:Όταν χρησιμοποιούνται μοντέλα επιτάχυνσης για την πρόβλεψη ζωής, οι παράγοντες απλοποιούνται ως κύριοι παράγοντες, με αποτέλεσμα σημαντικά σφάλματα στα αποτελέσματα υπολογισμού. Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα χρησιμοποιούν μερικές φορές τριπλά αποτελέσματα υπολογισμού ως αξιολογήσεις περιθωρίου ασφαλείας. Ωστόσο, η απόδοση των προϊόντων μπαταρίας είναι σχετικά μικρή σε σύγκριση με το απαιτούμενο περιθώριο διάρκειας ζωής της μπαταρίας και απαιτείται ακριβής πρόβλεψη. Επί του παρόντος, είναι εξαιρετικά δύσκολο να δημιουργηθεί μια μέθοδος πρόβλεψης που καθορίζει τη διάρκεια ζωής 10-χρόνων. Ωστόσο, καθώς οι προγραμματιστές προσπαθούν να διασφαλίσουν ότι το περιθώριο απόδοσης διάρκειας ζωής υπερβαίνει τη ζήτηση της αγοράς, η απόδοση της μπαταρίας αναμένεται να βελτιωθεί περαιτέρω.
6. Περίληψη
Λόγοι Δυσκολίας στην Ταχεία Δοκιμή Δευτερευόντων Μπαταριών
Σε σύγκριση με παρόμοιες δοκιμές ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ή συσκευών, η μακροχρόνια επιταχυνόμενη δοκιμή των δευτερευόντων μπαταριών είναι επί του παρόντος πιο δύσκολη, κυρίως λόγω των ακόλουθων παραγόντων:
- Η πρόβλεψη της διάρκειας ζωής της μπαταρίας συνήθως δεν βασίζεται στην προσομοίωση πιο σκληρών περιβαλλόντων ή στον πολλαπλασιασμό των παραγόντων ασφάλειας όπως ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συσκευές, πιθανώς λόγω έλλειψης επαρκούς περιθωρίου για την τρέχουσα απόδοση διάρκειας ζωής της μπαταρίας σε σχέση με τη ζήτηση της αγοράς.
- Υπάρχουν ακόμη πολλές ασαφείς αιτιώδεις σχέσεις μεταξύ των φαινομένων υποβάθμισης και των παραγόντων υποβάθμισης, οι οποίες μπορεί να οφείλονται στη δυσκολία στην ανάλυση σφαλμάτων των υποβαθμισμένων μπαταριών και στον περιορισμένο αριθμό περιπτώσεων.
- Λόγω της γρήγορης ταχύτητας ανάπτυξης των μπαταριών, των αλλαγών στη δομή του υλικού και των δυσκολιών στην ανάλυση σφαλμάτων που αναφέρθηκαν προηγουμένως, έχει γίνει ανεπαρκής εργασία επαλήθευσης σχετικά με τη συσχέτιση μεταξύ των δεδομένων υποβάθμισης της αγοράς.