Abstract
S porastom električnih vozila i plug-in hibridnih vozila, ciljni vijek trajanja sekundarnih baterija je najmanje 10 godina, a očekuje se da će takva vozila u budućnosti biti široko popularna. Neprijenosne baterije također imaju zahtjev za dugim vijekom trajanja, što čini testiranje ubrzanja sekundarnih baterija vrlo očekivanim. Ovaj članak uspoređuje ispitivanje ubrzanja poluvodiča, elektroničkih komponenti i elektroničkih uređaja i elaborira trenutno stanje i probleme testiranja ubrzanja za litijum-jonske sekundarne baterije.
1. Uvod
Istraživanje i proizvodnja litijum-jonskih sekundarnih baterija brzo su napredovali u poboljšanju performansi. Iako je osiguranje sigurnosti najvažnije pitanje za litijum-jonske sekundarne baterije, ciljni vijek trajanja litijum-jonskih sekundarnih baterija 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 vijek trajanja od 6 godina. Ovi zahtjevi će postaviti sve veća očekivanja od ubrzanog testiranja u narednim godinama. Nasuprot tome, u oblasti ubrzanog testiranja elektronskih komponenti i uređaja, razjašnjavanje mehanizama degradacije i faktora ubrzanja parametara kao što su poluprovodnik/lemljenje i izolacija štampanih ploča može pomoći u unapređenju tehnologije predviđanja životnog veka. Za razliku od elektronskih komponenti i uređaja, sekundarnim baterijama nedostaje dovoljno primjera i teorija sistema za predviđanje degradacije/života i testiranje ubrzanja. Ovaj članak opisuje trenutnu situaciju i probleme ubrzanog testiranja litijum-jonskih sekundarnih baterija upoređujući ih sa ubrzanim ispitivanjem poluprovodnika, elektronskih komponenti i elektronskih uređaja.
2. Definicija degradacije
JIS C 8711 (koji pokriva litijumske sekundarne baterije za prenosive uređaje) daje primjer procjene vijeka trajanja sekundarne baterije, gdje se završetak vijeka trajanja baterije definira kao trenutak u kojem kapacitet pada na 60% početnog kapaciteta tokom 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 za procjenu degradacije proizvođača obično su stroži od ovih vrijednosti, kao što je korištenje vrijednosti poput 80%. Zbog činjenice da je stopa degradacije baterija tokom dugotrajnog skladištenja proporcionalna njihovom stanju napunjenosti (SOC), sekundarne baterije su dizajnirane da odgovaraju okruženju upotrebe, omogućavajući im da održe nizak SOC i izdrže dugotrajnu upotrebu. Sve dok vrijednost degradacije baterije zadovoljava postavljene standarde, smatra se da radi normalno. Općenito je da su baterije potrošni materijal i da se njihov kapacitet neminovno smanjuje. Slika 1 prikazuje primjer krivulje pražnjenja litijum-jonske sekundarne baterije.
3. Faktori i mehanizmi degradacije
Svaka komponenta litijum-jonskih sekundarnih baterija ima nekoliko faktora degradacije i teško ih je jednostavno klasifikovati. Mogući razlog za ovu poteškoću je to što postoji nekoliko slučajeva analize kvarova, jer je teško rastaviti bateriju bez uticaja na njeno unutrašnje stanje, a odnos između specifičnih mehanizama degradacije i vijeka trajanja baterije nije uvijek jasan. Nasuprot tome, situacija sa elektronskim komponentama je sasvim drugačija. Postoji mnogo slučajeva analize kvarova za elektronske komponente, a sa poboljšanjem tehnologije analize, razvijena je i tehnologija pouzdanosti i tehnologija predviđanja životnog veka.
Slika 2 prikazuje strukturu litijum-jonske sekundarne baterije. Prema izvještajima, povećanje unutrašnjeg otpora uzrokovano rastom membrana na površini elektrode tipičan je faktor degradacije litijum-jonskih sekundarnih baterija. Drugi mogući fenomeni uključuju promjene u kristalnoj strukturi aktivne tvari, kao i raslojavanje materijala elektrode ili sučelja strujnog kolektora. Zbog nekih pojava degradacije uzrokovanih elektrolitima ili membranama, potrebno je ove razloge procijeniti na osnovu karakterističnih procjena ili strukture materijala. Ove vrste degradacije mogu koegzistirati tokom ciklusa pražnjenja. Metode za mjerenje povećanja unutrašnjeg otpora uključuju metodu otpora jednosmerne struje (DC-IR) i metodu impedance naizmjenične struje. Zbog ograničenog broja slučajeva analize kvara, uzročna veza između fenomena degradacije i mjesta degradacije je još uvijek nejasna. Međutim, metoda AC impedanse je obećavajuća tehnika za mjerenje fenomena unutrašnjeg akumulatora koji se odnosi na gore navedene faktore.
4. Utjecaj okruženja za korištenje litijum-jonske sekundarne baterije na vijek trajanja baterije
Uticaj temperature skladištenja:Temperatura skladištenja je važan faktor degradacije za litijum-jonske sekundarne baterije. Očekuje se da temperatura okruženja za upotrebu u zatvorenim prostorima dostigne maksimum od oko 40 stepeni C, dok se baterije u vanjskim ili mobilnim uređajima suočavaju sa oštrijim okruženjima. Dugoročne karakteristike trenutnih litijum-jonskih sekundarnih baterija brzo se degradiraju na 40-60 stepeni C. Stoga, standardi testiranja kao što su JIS 8711 i IEC 62660-1 (koriste se za testiranje performansi pojedinačnih baterija u električnim vozilima) propisuje da temperatura testa dugotrajnog vijeka trajanja treba biti između 40-45 stepeni C. Da bi se produžio vijek trajanja baterije, akumulatori vozila su dizajnirani s rashladnim mehanizmom koji održavaju temperaturu baterije na najviše 45 stepeni C. Akumulatori vozila se i dalje moraju prilagoditi niskim temperaturama od -20 stepeni C i niže, pošto se unutrašnji otpor sekundarnih baterija obično povećava, a kapacitet značajno opada na ovoj temperaturi. Međutim, trenutno razvijamo baterije sa odličnim niskotemperaturnim karakteristikama.
Utjecaj brzina punjenja i pražnjenja:Akumulatori vozila imaju različite stope punjenja i pražnjenja tokom upotrebe, a razlika u brzinama punjenja i pražnjenja može uticati na proces degradacije. IEC 62660-1 specificira način rada brzine punjenja i pražnjenja za akumulatore vozila tokom upotrebe. Nasuprot tome, baterije za kućanske aparate se često koriste u stalno napunjenom stanju, a održavanje visokog SOC-a je također faktor koji dovodi do procesa degradacije. Zbog značajnog uticaja tržišnih uslova na trajanje baterije, potrebno je proučiti uslove ubrzanog testiranja koji mogu predvideti ova tržišna okruženja.
5. Sekundarni model trajanja baterije i model ubrzanja
Pregled karakteristika testiranja i modela ubrzanja:Testiranje sekundarnog vijeka trajanja baterije uglavnom se fokusira na dvije osnovne karakteristike: vijek trajanja (kalendarski vijek) i vijek ciklusa punjenja. Vijek skladištenja je povezan s degradacijom uzrokovanom temperaturom. Arrheniusov model se koristi kao model ubrzanja. Vjeruje se da je vijek skladištenja određen povećanjem unutrašnjeg otpora uzrokovanog rastom maske za lice na površini elektrode. Rast filma je uzrokovan kemijskom reakcijom. Ubrzana temperatura testiranja je viša od radne temperature, ali maksimalna temperatura litijum-jonske sekundarne baterije je obično ograničena na 55-60 stepen C, nakon čega se efekat ubrzanja neće generirati zbog napredovanja različitih hemijskih reakcija . Metoda ekstrapolacije zasnovana na linearnoj degradaciji starenja koristi se za dugoročno predviđanje života (kao što je slučaj sa linearnim odnosom s kvadratnim korijenom vremena starenja). Međutim, u praktičnoj upotrebi treba uzeti u obzir životni vijek ciklusa pražnjenja, a sam Arrheniusov model ne može u potpunosti izraziti stvarnu situaciju, kao što su slučajevi u kojima je omjer vijeka skladištenja i vijeka trajanja ciklusa pražnjenja 9:1 i situacije u kojima je temperatura skladištenja ima značajan uticaj. Pored Arrheniusovog modela, postoje različiti modeli ubrzanja za elektronske komponente, a njihova upotreba i kombinacija su određeni faktorima degradacije. Važno je identificirati faktore degradacije kao što su vlažnost i ponovljeni mehanički stres prilikom kreiranja modela ubrzanja.
Ograničenja modela ubrzanja i izazovi u predviđanju vijeka trajanja baterije:Kada se koriste modeli ubrzanja za predviđanje života, faktori su pojednostavljeni kao glavni faktori, što rezultira značajnim greškama u rezultatima proračuna. Elektronske komponente ponekad koriste rezultate trostrukog proračuna kao procjenu sigurnosne margine. Međutim, performanse baterijskih proizvoda su relativno male u poređenju sa potrebnom marginom trajanja baterije i potrebno je precizno predviđanje. Trenutno je izuzetno teško kreirati metodu predviđanja koja određuje 10-godišnji vijek trajanja. Međutim, kako programeri nastoje osigurati da margina performansi životnog vijeka premašuje potražnju na tržištu, očekuje se da će se performanse baterije dodatno poboljšati.
6. Sažetak
Razlozi za poteškoće u ubrzanom testiranju sekundarnih baterija
U poređenju sa sličnim testiranjem elektronskih komponenti ili uređaja, dugotrajno ubrzano testiranje sekundarnih baterija trenutno je teže, uglavnom zbog sledećih faktora:
- Predviđanje trajanja baterije obično se ne zasniva na simulaciji težih okruženja ili umnožavanju sigurnosnih faktora kao što su elektronske komponente i uređaji, vjerovatno zbog nedostatka dovoljne margine za trenutne performanse trajanja baterije u odnosu na potražnju na tržištu.
- Još uvijek postoje mnoge nejasne uzročne veze između fenomena degradacije i faktora degradacije, što može biti posljedica poteškoća u analizi kvara degradiranih baterija i ograničenog broja slučajeva.
- Zbog velike brzine razvoja baterija, promjena u strukturi materijala i poteškoća u analizi kvarova spomenutih ranije, nedovoljan je rad na provjeri korelacije između podataka o degradaciji tržišta.