آزمایش سریع باتری‌های ثانویه لیتیوم یون: آشکار کردن مسیر کلیدی برای بهبود عملکرد

چکیده

با ظهور خودروهای الکتریکی و خودروهای هیبریدی پلاگین، عمر مفید باتری‌های ثانویه حداقل 10 سال است و انتظار می‌رود چنین وسایل نقلیه‌ای در آینده به طور گسترده ای رواج پیدا کنند. باتری‌های غیرقابل حمل نیز تقاضای عمر طولانی دارند، که باعث می‌شود آزمایش شتاب باتری‌های ثانویه بسیار مورد انتظار باشد. این مقاله آزمایش شتاب نیمه هادی ها، قطعات الکترونیکی و دستگاه های الکترونیکی را مقایسه می کند و وضعیت فعلی و مشکلات آزمایش شتاب برای باتری های ثانویه لیتیوم یون را توضیح می دهد.

1. مقدمه

تحقیق و ساخت باتری های ثانویه لیتیوم یون پیشرفت سریعی در بهبود عملکرد داشته است. اگرچه اطمینان از ایمنی مهم ترین مسئله برای باتری های ثانویه لیتیوم یونی است، اما طول عمر هدف برای باتری های ثانویه لیتیوم یون مورد استفاده در خودروهای الکتریکی و خودروهای هیبریدی پلاگین (یک بازار در حال رشد و بسیار مورد انتظار) 10 تا 15 سال است. برای باتری های غیر قابل حمل، حداقل عمر مفید 6 سال مورد نیاز است. این خواسته‌ها انتظارات فزاینده‌ای را برای آزمایش‌های سریع در سال‌های آینده ایجاد می‌کند. در مقابل، در زمینه تست تسریع قطعات و دستگاه های الکترونیکی، روشن کردن مکانیسم های تخریب و عوامل شتاب پارامترهایی مانند پیوند نیمه هادی/لحیم کاری و عایق مدار چاپی می تواند به پیشرفت فناوری پیش بینی عمر کمک کند. برخلاف قطعات و دستگاه‌های الکترونیکی، باتری‌های ثانویه فاقد مثال‌ها و نظریه‌های سیستم کافی برای پیش‌بینی تخریب/عمر و آزمایش شتاب هستند. این مقاله وضعیت فعلی و مشکلات آزمایش شتاب باتری‌های ثانویه لیتیوم یون را با مقایسه آن با آزمایش‌های تسریع شده نیمه‌رساناها، قطعات الکترونیکی و دستگاه‌های الکترونیکی تشریح می‌کند.

2. تعریف تنزل

JIS C 8711 (پوشش باتری‌های ثانویه لیتیومی برای دستگاه‌های قابل حمل) نمونه‌ای از ارزیابی عمر باتری ثانویه را ارائه می‌کند، که در آن پایان عمر باتری به عنوان نقطه‌ای در زمان تعریف می‌شود که ظرفیت به 60 درصد ظرفیت اولیه در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ کاهش می‌یابد. برای تخریب باتری های ذخیره شده در دمای ثابت پس از شارژ شدن با روشی از پیش تعیین شده، مقادیر 70 درصد برای سلول های تک و 60 درصد برای بسته های باتری نیز تعریف شده است. استانداردهای ارزیابی تخریب تولیدکنندگان معمولاً سخت‌گیرانه‌تر از این مقادیر هستند، مانند استفاده از مقادیری مانند 80%. با توجه به این واقعیت که میزان تخریب باتری ها در طول ذخیره سازی طولانی مدت با وضعیت شارژ آنها (SOC) متناسب است، باتری های ثانویه به گونه ای طراحی شده اند که با محیط استفاده مطابقت داشته باشند و آنها را قادر می سازد SOC پایین را حفظ کنند و در برابر استفاده طولانی مدت مقاومت کنند. تا زمانی که مقدار تخریب باتری مطابق با استانداردهای تعیین شده باشد، در نظر گرفته می شود که به طور معمول کار می کند. دیدگاه کلی این است که باتری ها مصرفی هستند و ظرفیت آنها به ناچار کاهش می یابد. شکل 1 نمونه ای از منحنی دشارژ باتری ثانویه لیتیوم یون را نشان می دهد.

3. عوامل و مکانیسم های تخریب

هر جزء از باتری های ثانویه لیتیوم یون دارای چندین فاکتور تخریب است و طبقه بندی ساده آنها دشوار است. دلیل احتمالی این مشکل این است که موارد کمی از تجزیه و تحلیل عیب وجود دارد، زیرا جدا کردن باتری بدون تأثیر بر وضعیت داخلی آن دشوار است و رابطه بین مکانیسم‌های تخریب خاص و عمر باتری همیشه روشن نیست. در مقابل، وضعیت قطعات الکترونیکی کاملاً متفاوت است. موارد تجزیه و تحلیل عیب بسیاری برای قطعات الکترونیکی وجود دارد و با بهبود فناوری آنالیز، فناوری قابلیت اطمینان و فناوری پیش بینی عمر نیز توسعه یافته است.

شکل 2 ساختار یک باتری ثانویه لیتیوم یونی را نشان می دهد. بر اساس گزارش ها، افزایش مقاومت داخلی ناشی از رشد غشاها بر روی سطح الکترود، یک عامل تخریب معمولی باتری های ثانویه لیتیوم یون است. سایر پدیده های ممکن شامل تغییرات در ساختار کریستالی ماده فعال و همچنین لایه لایه شدن در ماده الکترود یا رابط جمع کننده جریان است. با توجه به برخی از پدیده های تخریب که توسط الکترولیت ها یا غشاها ایجاد می شود، لازم است این دلایل از ارزیابی های مشخصه یا ساختار مواد تخمین زده شود. این نوع تخریب ممکن است در طول چرخه های تخلیه شارژ وجود داشته باشد. روش های اندازه گیری افزایش مقاومت داخلی شامل روش مقاومت جریان مستقیم (DC-IR) و روش امپدانس جریان متناوب می باشد. با توجه به تعداد محدود موارد تجزیه و تحلیل خطا، رابطه علی بین پدیده های تخریب و مکان های تخریب هنوز نامشخص است. با این حال، روش امپدانس AC یک تکنیک امیدوارکننده برای اندازه‌گیری پدیده‌های باتری داخلی مرتبط با عوامل فوق‌الذکر است.

4. تأثیر محیط استفاده از باتری ثانویه لیتیوم یون بر عمر باتری

تاثیر دمای ذخیره سازی:دمای ذخیره سازی یک عامل تخریب مهم برای باتری های ثانویه لیتیوم یون است. انتظار می رود دمای محیط استفاده در داخل به حداکثر حدود 40 درجه سانتیگراد برسد، در حالی که باتری ها در دستگاه های بیرونی یا تلفن همراه با محیط های خشن تری روبرو هستند. ویژگی‌های طولانی‌مدت باتری‌های ثانویه لیتیوم یون فعلی به سرعت در 40-60 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد. بنابراین، استانداردهای آزمایشی مانند JIS 8711 و IEC 62660-1 (برای آزمایش عملکرد باتری‌های تکی در خودروهای الکتریکی استفاده می‌شود) شرط می‌کند که دمای آزمایش طول عمر طولانی‌مدت باید بین 40-45 درجه سانتی‌گراد باشد. برای افزایش عمر باتری، باتری‌های خودرو با مکانیزم خنک‌کننده طراحی می‌شوند تا دمای باتری را در دمای ثابت نگه دارند. بیش از 45 درجه سانتی‌گراد نباشد. باتری‌های خودرو همچنان باید با دمای پایین -20 درجه سانتی‌گراد و کمتر سازگار شوند، زیرا مقاومت داخلی باتری‌های ثانویه معمولاً افزایش می‌یابد و ظرفیت به میزان قابل توجهی در این دما کاهش می‌یابد. با این حال، ما در حال حاضر در حال توسعه باتری هایی با ویژگی های عالی در دمای پایین هستیم.

تاثیر نرخ شارژ و دشارژ:باتری های خودرو در حین استفاده دارای نرخ های شارژ و دشارژ متفاوتی هستند و تفاوت در نرخ شارژ و دشارژ می تواند بر روند تخریب تاثیر بگذارد. IEC 62660-1 حالت نرخ شارژ و دشارژ را برای باتری های خودرو در حین استفاده مشخص می کند. در مقابل، باتری های لوازم خانگی اغلب در حالت شارژ مداوم استفاده می شوند و حفظ SOC بالا نیز عاملی است که منجر به فرآیند تخریب می شود. با توجه به تاثیر قابل توجه شرایط بازار بر عمر باتری، بررسی شرایط تست تسریع شده که بتواند این محیط های بازار را پیش بینی کند ضروری است.

5. آزمایش عمر باتری ثانویه و مدل شتاب

بررسی اجمالی ویژگی های تست و مدل های شتاب:آزمایش عمر باتری ثانویه عمدتاً بر دو ویژگی اساسی متمرکز است: عمر ذخیره سازی (عمر تقویمی) و عمر چرخه تخلیه شارژ. عمر ذخیره سازی مربوط به تخریب مربوط به دما است. مدل آرنیوس به عنوان مدل شتاب استفاده می شود. اعتقاد بر این است که عمر ذخیره سازی با افزایش مقاومت داخلی ناشی از رشد ماسک صورت بر روی سطح الکترود تعیین می شود. رشد فیلم در اثر واکنش شیمیایی ایجاد می شود. دمای آزمایش تسریع‌شده بالاتر از دمای سرویس است، اما حداکثر دمای باتری ثانویه لیتیوم یونی معمولاً به 55-60 درجه سانتی‌گراد محدود می‌شود، که بیش از آن به دلیل پیشرفت واکنش‌های شیمیایی مختلف، اثر شتاب ایجاد نمی‌شود. . روش برون یابی مبتنی بر تخریب خطی پیری برای پیش بینی طولانی مدت زندگی (مانند موردی با رابطه خطی با ریشه دوم زمان پیری) استفاده می شود. با این حال، در استفاده عملی، عمر چرخه تخلیه شارژ باید در نظر گرفته شود، و مدل آرنیوس به تنهایی نمی تواند وضعیت واقعی را به طور کامل بیان کند، مانند مواردی که نسبت عمر ذخیره سازی به عمر چرخه تخلیه شارژ 9:1 است، و موقعیت هایی که در آن دمای ذخیره سازی تأثیر قابل توجهی دارد. علاوه بر مدل آرنیوس، مدل های شتاب گیری مختلفی برای قطعات الکترونیکی وجود دارد که استفاده و ترکیب آنها توسط عوامل تخریب تعیین می شود. شناسایی عوامل تخریب مانند رطوبت و تنش مکانیکی مکرر هنگام ایجاد مدل‌های شتاب بسیار مهم است.

محدودیت‌های مدل‌های شتاب و چالش‌ها در پیش‌بینی عمر باتری:هنگام استفاده از مدل‌های شتاب برای پیش‌بینی زندگی، عوامل به‌عنوان فاکتورهای اصلی ساده‌سازی می‌شوند که منجر به خطاهای قابل‌توجهی در نتایج محاسباتی می‌شود. قطعات الکترونیکی گاهی اوقات از نتایج محاسباتی سه گانه به عنوان ارزیابی حاشیه ایمنی استفاده می کنند. با این حال، عملکرد محصولات باتری در مقایسه با حاشیه عمر باتری مورد نیاز نسبتاً کم است و نیاز به پیش بینی دقیق است. در حال حاضر، ایجاد یک روش پیش‌بینی که عمر سرویس 10-سال را تعیین می‌کند، بسیار دشوار است. با این حال، از آنجایی که توسعه دهندگان تلاش می کنند اطمینان حاصل کنند که حاشیه عملکرد طول عمر بیشتر از تقاضای بازار است، انتظار می رود عملکرد باتری بیشتر بهبود یابد.

6. خلاصه

دلایل دشواری در آزمایش سریع باتری های ثانویه

در مقایسه با آزمایش‌های مشابه قطعات یا دستگاه‌های الکترونیکی، آزمایش طولانی‌مدت باتری‌های ثانویه سخت‌تر است، عمدتاً به دلیل عوامل زیر:

• پیش‌بینی عمر باتری معمولاً مبتنی بر شبیه‌سازی محیط‌های خشن‌تر یا ضرب عوامل ایمنی مانند قطعات و دستگاه‌های الکترونیکی نیست، احتمالاً به دلیل عدم وجود حاشیه کافی برای عملکرد فعلی باتری نسبت به تقاضای بازار.
• هنوز بسیاری از روابط علت و معلولی نامشخص بین پدیده های تخریب و عوامل تخریب وجود دارد، که ممکن است به دلیل مشکل در تجزیه و تحلیل عیب باتری های تخریب شده و تعداد محدود موارد باشد.
• با توجه به سرعت توسعه سریع باتری ها، تغییرات در ساختار مواد، و مشکلات در تجزیه و تحلیل خطا که قبلا ذکر شد، کار راستی آزمایی کافی بر روی همبستگی بین داده های تخریب بازار انجام نشده است.