Absztrakt
Az elektromos és a hálózatról tölthető hibrid járművek térnyerésével a másodlagos akkumulátorok élettartama legalább 10 év, és a jövőben az ilyen járművek széles körben népszerűsítése várható. A nem hordozható akkumulátoroknak is megvan az igényük a hosszú élettartamra, ami miatt a másodlagos akkumulátorok gyorsulási tesztelése nagyon várt. Ez a cikk összehasonlítja a félvezetők, az elektronikus alkatrészek és az elektronikus eszközök gyorsulási vizsgálatát, és kitér a lítium-ion másodlagos akkumulátorok gyorsítási vizsgálatának jelenlegi állapotára és problémáira.
1. Bevezetés
A lítium-ion másodlagos akkumulátorok kutatása és gyártása gyors előrehaladást ért el a teljesítmény javítása terén. Bár a biztonság biztosítása a legfontosabb kérdés a lítium-ion másodlagos akkumulátorok esetében, az elektromos járművekben és a konnektorról tölthető hibrid járművekben használt lítium-ion másodlagos akkumulátorok élettartama (egy növekvő és nagyon várt piac) 10-15 év. A nem hordozható akkumulátorok minimális élettartama 6 év. Ezek az igények a következő években egyre nagyobb elvárásokat támasztanak a gyorsított teszteléssel szemben. Ezzel szemben az elektronikai alkatrészek és eszközök gyorsított tesztelése terén az olyan paraméterek leromlási mechanizmusainak és gyorsulási tényezőinek tisztázása, mint a félvezető/forraszkötés és a nyomtatott áramköri lapok szigetelése, segíthet az élettartam előrejelzési technológiában. Ellentétben az elektronikus alkatrészekkel és eszközökkel, a másodlagos akkumulátorok nem tartalmaznak elegendő példát és rendszerelméletet a leromlás/élettartam előrejelzésére és a gyorsulás tesztelésére. Ez a cikk a lítium-ion másodlagos akkumulátorok gyorsított tesztelésének jelenlegi helyzetét és problémáit írja le, összehasonlítva azt a félvezetők, elektronikus alkatrészek és elektronikus eszközök gyorsított tesztelésével.
2. A degradáció meghatározása
A JIS C 8711 (hordozható eszközök másodlagos lítium akkumulátoraira terjed ki) példa a másodlagos akkumulátor-élettartam értékelésére, ahol az akkumulátor élettartamának befejeződése az az időpont, amikor a kapacitás a kezdeti kapacitás 60%-ára csökken a töltési és kisütési ciklusok során. Az állandó hőmérsékleten tárolt akkumulátorok előre meghatározott módszerrel történő töltés utáni leromlásához az egycelláknál 70%-os, az akkumulátorcsomagoknál pedig a 60%-os értékeket is meghatározzák. A gyártók lebomlásértékelési szabványai általában szigorúbbak ezeknél az értékeknél, például olyan értékeket használnak, mint a 80%. Tekintettel arra, hogy az akkumulátorok leromlási sebessége a hosszú távú tárolás során arányos a töltöttségi állapotukkal (SOC), a másodlagos akkumulátorokat úgy tervezték, hogy megfeleljenek a használati környezetnek, lehetővé téve számukra az alacsony SOC fenntartását és a hosszú távú használatot. Mindaddig, amíg az akkumulátor leromlási értéke megfelel a meghatározott szabványoknak, normálisan működik. Az általános nézet szerint az akkumulátorok fogyóeszközök, és kapacitásuk elkerülhetetlenül csökken. Az 1. ábra egy lítium-ion másodlagos akkumulátor kisülési görbéjét mutatja.
3. Degradációs tényezők és mechanizmusok
A lítium-ion másodlagos akkumulátorok minden alkatrésze több leromlási tényezővel rendelkezik, és nehéz őket egyszerűen besorolni. Ennek a nehézségnek az lehet az oka, hogy kevés a hibaelemzés, mivel nehéz szétszedni az akkumulátort anélkül, hogy a belső állapotát befolyásolná, és nem mindig egyértelmű a kapcsolat a konkrét leromlási mechanizmusok és az akkumulátor élettartama között. Ezzel szemben az elektronikai alkatrészekkel egészen más a helyzet. Számos hibaelemzési eset létezik az elektronikai alkatrészekre, és az elemzési technológia fejlődésével a megbízhatósági technológia és az élettartam-előrejelzési technológia is fejlődött.
A 2. ábra egy lítium-ion másodlagos akkumulátor felépítését mutatja. A jelentések szerint a belső ellenállás növekedése, amelyet az elektróda felületén lévő membránok növekedése okoz, a lítium-ion másodlagos akkumulátorok tipikus degradációs tényezője. További lehetséges jelenségek közé tartozik a hatóanyag kristályszerkezetének megváltozása, valamint az elektróda anyagának vagy az áramkollektor interfészének delaminációja. Az elektrolitok vagy membránok által okozott bomlási jelenségek miatt ezeket az okokat jellemző értékelésekből vagy anyagszerkezetekből kell megbecsülni. Az ilyen típusú degradáció egyidejűleg előfordulhat a töltéskisülési ciklusok során. A belső ellenállás növekedésének mérési módszerei közé tartozik az egyenáramú ellenállás módszer (DC-IR) és a váltakozó áramú impedancia módszer. A hibaelemzési esetek korlátozott száma miatt a degradációs jelenségek és a degradációs helyek közötti ok-okozati összefüggés még mindig nem tisztázott. Az AC impedancia módszer azonban ígéretes technika a fent említett tényezőkhöz kapcsolódó belső akkumulátor jelenségek mérésére.
4. A lítium-ion másodlagos akkumulátorhasználati környezet hatása az akkumulátor élettartamára
A tárolási hőmérséklet hatása:A tárolási hőmérséklet fontos leromlási tényező a lítium-ion másodlagos akkumulátorok esetében. A beltéri használati környezet hőmérséklete várhatóan eléri a maximum körülbelül 40 °C-ot, míg a kültéri vagy mobileszközök akkumulátorai zordabb környezettel szembesülnek. A jelenlegi lítium-ion másodlagos akkumulátorok hosszú távú jellemzői gyorsan leromlanak 40-60 C fokon. Ezért az olyan vizsgálati szabványok, mint a JIS 8711 és az IEC 62660-1 (az elektromos járművekben lévő egyes akkumulátorok teljesítményének tesztelésére használják) előírják, hogy a hosszú távú teszthőmérsékletnek 40-45 C fok között kell lennie. Az akkumulátor élettartamának meghosszabbítása érdekében a járműakkumulátorokat olyan hűtőmechanizmussal tervezték, amely az akkumulátor hőmérsékletét legfeljebb 45 C fokon tartja. A járműakkumulátoroknak továbbra is alkalmazkodniuk kell az alacsony, -20 C fokos és az alatti hőmérsékletekhez, mivel a másodlagos akkumulátorok belső ellenállása általában növekszik, és ezen a hőmérsékleten jelentősen csökken a kapacitás. Jelenleg azonban kiváló alacsony hőmérsékleti jellemzőkkel rendelkező akkumulátorokat fejlesztünk.
A töltési és kisütési sebesség hatása:A járműakkumulátorok eltérő töltési és kisütési sebességgel rendelkeznek használat közben, és a töltési és kisütési sebesség különbsége befolyásolhatja a leromlási folyamatot. Az IEC 62660-1 meghatározza a járműakkumulátorok töltési és kisütési sebességét használat közben. Ezzel szemben a háztartási készülékek akkumulátorait gyakran folyamatosan töltött állapotban használják, és a magas SOC fenntartása is olyan tényező, amely a leromlási folyamathoz vezet. A piaci feltételeknek az akkumulátor élettartamára gyakorolt jelentős hatása miatt szükség van olyan gyorsított tesztelési feltételek tanulmányozására, amelyek előre jelezhetik ezeket a piaci környezeteket.
5. Másodlagos akkumulátor-élettartam tesztelése és gyorsulási modellje
A tesztelési jellemzők és a gyorsulási modellek áttekintése:A másodlagos akkumulátor-élettartam-teszt elsősorban két alapvető jellemzőre összpontosít: a tárolási időre (naptári élettartamra) és a töltési kisütési ciklus élettartamára. A tárolási idő a hőmérséklettel összefüggő degradációval függ össze. Gyorsulási modellként az Arrhenius modellt használják. Úgy gondolják, hogy a tárolási időt a belső ellenállás növekedése határozza meg, amelyet az arcmaszk növekedése okoz az elektróda felületén. A film növekedését kémiai reakció okozza. A gyorsított teszthőmérséklet magasabb, mint az üzemi hőmérséklet, de a lítium-ion másodlagos akkumulátor maximális hőmérséklete általában 55-60 C fokra korlátozódik, amelyen túl a különböző kémiai reakciók előrehaladása miatt nem jön létre gyorsító hatás . A lineáris öregedési leromláson alapuló extrapolációs módszert a hosszú távú élettartam előrejelzésére használják (például az öregedési idő négyzetgyökével lineáris kapcsolat esetén). A gyakorlati használat során azonban figyelembe kell venni a töltési kisütési ciklus élettartamát, és az Arrhenius-modell önmagában nem képes teljes mértékben kifejezni a tényleges helyzetet, például olyan eseteket, amikor a tárolási idő és a töltés kisülési ciklusának élettartama 9:1, és olyan helyzetek, amikor A tárolási hőmérséklet jelentős hatással van. Az Arrhenius-modell mellett az elektronikai alkatrészekhez különféle gyorsulási modellek léteznek, ezek használatát és kombinációját a degradációs tényezők határozzák meg. A gyorsulási modellek létrehozásakor fontos azonosítani a degradációs tényezőket, mint például a páratartalom és az ismétlődő mechanikai igénybevétel.
A gyorsulási modellek korlátai és kihívások az akkumulátor élettartamának előrejelzésében:Amikor gyorsulási modelleket használunk az élet előrejelzésére, a tényezők leegyszerűsödnek, mint fő tényezők, ami jelentős hibákat eredményez a számítási eredményekben. Az elektronikus alkatrészek néha hármas számítási eredményeket használnak biztonsági határértékként. Az akkumulátortermékek teljesítménye azonban viszonylag kicsi a szükséges akkumulátor-élettartam-tartalékhoz képest, és pontos előrejelzésre van szükség. Jelenleg rendkívül nehéz olyan előrejelzési módszert létrehozni, amely meghatározza az 10-éves élettartamot. Mivel azonban a fejlesztők arra törekednek, hogy az élettartam-teljesítmény-különbözet meghaladja a piaci keresletet, az akkumulátor teljesítménye várhatóan tovább javul.
6. Összegzés
A másodlagos akkumulátorok gyorsított tesztelése során tapasztalható nehézségek okai
Az elektronikus alkatrészek vagy eszközök hasonló teszteléséhez képest a másodlagos akkumulátorok hosszú távú gyorsított tesztelése jelenleg nehezebb, főként a következő tényezők miatt:
- Az akkumulátor élettartamának előrejelzése általában nem a zordabb környezet szimulációján vagy a biztonsági tényezők, például az elektronikus alkatrészek és eszközök megsokszorozásán alapul, valószínűleg azért, mert nincs elegendő tartalék az akkumulátor jelenlegi élettartamához képest a piaci kereslethez képest.
- Még mindig sok tisztázatlan ok-okozati összefüggés van a leromlási jelenségek és a degradációs tényezők között, ami a leromlott akkumulátorok hibaelemzési nehézségeiből és az esetek korlátozott számából fakadhat.
- Az akkumulátorok gyors fejlődési sebessége, az anyagszerkezet változásai, valamint a korábban említett hibaelemzési nehézségek miatt nem végeztek kellő ellenőrzési munkát a piaci leromlási adatok összefüggésére.