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Con l’avvento dei veicoli elettrici e dei veicoli ibridi plug-in, la durata prevista delle batterie secondarie è di almeno 10 anni e si prevede che tali veicoli diventeranno ampiamente diffusi in futuro. Anche le batterie non portatili richiedono una lunga durata, il che rende molto attesi i test di accelerazione delle batterie secondarie. Questo articolo mette a confronto i test di accelerazione di semiconduttori, componenti elettronici e dispositivi elettronici e approfondisce lo stato attuale e i problemi dei test di accelerazione per le batterie secondarie agli ioni di litio.
1. Introduzione
La ricerca e la produzione di batterie secondarie agli ioni di litio hanno compiuto rapidi progressi nel miglioramento delle prestazioni. Sebbene garantire la sicurezza sia la questione più importante per le batterie secondarie agli ioni di litio, la durata prevista per le batterie secondarie agli ioni di litio utilizzate nei veicoli elettrici e nei veicoli ibridi plug-in (un mercato in crescita e molto atteso) è di 10-15 anni. Per le batterie non portatili è richiesta una durata minima di 6 anni. Queste richieste porranno crescenti aspettative sui test accelerati nei prossimi anni. Al contrario, nel campo dei test accelerati di componenti e dispositivi elettronici, chiarire i meccanismi di degrado e i fattori di accelerazione di parametri quali il collegamento di semiconduttori/saldature e l’isolamento dei circuiti stampati può aiutare a far avanzare la tecnologia di previsione della vita. A differenza dei componenti e dei dispositivi elettronici, le batterie secondarie non dispongono di esempi e teorie di sistema sufficienti per prevedere il degrado/la durata e i test di accelerazione. Questo articolo descrive la situazione attuale e i problemi dei test accelerati delle batterie secondarie agli ioni di litio confrontandoli con i test accelerati di semiconduttori, componenti elettronici e dispositivi elettronici.
2. Definizione di degrado
JIS C 8711 (che copre le batterie secondarie al litio per dispositivi portatili) fornisce un esempio di valutazione della durata della batteria secondaria, in cui il termine della durata della batteria è definito come il momento in cui la capacità scende al 60% della capacità iniziale durante i cicli di carica e scarica. Per il degrado delle batterie conservate a temperatura costante dopo essere state caricate con un metodo predeterminato, sono inoltre definiti i valori del 70% per le singole celle e del 60% per i pacchi batteria. Gli standard di valutazione del degrado dei produttori sono generalmente più rigorosi rispetto a questi valori, ad esempio utilizzando valori come l'80%. Dato che il tasso di degradazione delle batterie durante lo stoccaggio a lungo termine è proporzionale al loro stato di carica (SOC), le batterie secondarie sono progettate per adattarsi all'ambiente di utilizzo, consentendo loro di mantenere un basso SOC e resistere all'uso a lungo termine. Finché il valore di degrado della batteria soddisfa gli standard stabiliti, si considera che funzioni normalmente. L’opinione generale è che le batterie siano materiali di consumo e la loro capacità inevitabilmente diminuisce. La Figura 1 mostra un esempio di curva di scarica di una batteria secondaria agli ioni di litio.
3. Fattori e meccanismi di degrado
Ogni componente delle batterie secondarie agli ioni di litio presenta diversi fattori di degrado ed è difficile classificarli in modo semplice. La possibile ragione di questa difficoltà è che ci sono pochi casi di analisi dei guasti, poiché è difficile smontare la batteria senza alterarne lo stato interno, e la relazione tra specifici meccanismi di degrado e durata della batteria non è sempre chiara. Ben diversa è invece la situazione con i componenti elettronici. Esistono molti casi di analisi dei guasti per i componenti elettronici e con il miglioramento della tecnologia di analisi sono state sviluppate anche tecnologie di affidabilità e tecnologie di previsione della vita.
La Figura 2 mostra la struttura di una batteria secondaria agli ioni di litio. Secondo i rapporti, l'aumento della resistenza interna causato dalla crescita delle membrane sulla superficie degli elettrodi è un tipico fattore di degrado delle batterie secondarie agli ioni di litio. Altri possibili fenomeni includono cambiamenti nella struttura cristallina della sostanza attiva, nonché delaminazione del materiale dell'elettrodo o dell'interfaccia del collettore di corrente. A causa di alcuni fenomeni di degrado causati da elettroliti o membrane, è necessario valutare tali ragioni da valutazioni caratteristiche o strutture dei materiali. Questi tipi di degrado possono coesistere durante i cicli di scarica della carica. I metodi per misurare l'aumento della resistenza interna includono il metodo della resistenza in corrente continua (DC-IR) e il metodo dell'impedenza in corrente alternata. A causa del numero limitato di casi di analisi delle faglie, la relazione causale tra fenomeni di degrado e siti di degrado non è ancora chiara. Tuttavia, il metodo dell’impedenza CA è una tecnica promettente per misurare i fenomeni interni della batteria legati ai fattori sopra menzionati.
4. L'impatto dell'ambiente di utilizzo della batteria secondaria agli ioni di litio sulla durata della batteria
Impatto sulla temperatura di conservazione:La temperatura di stoccaggio è un importante fattore di degrado per le batterie secondarie agli ioni di litio. Si prevede che la temperatura dell'ambiente di utilizzo interno raggiunga un massimo di circa 40 gradi C, mentre le batterie nei dispositivi esterni o mobili devono affrontare ambienti più difficili. Le caratteristiche a lungo termine delle attuali batterie secondarie agli ioni di litio si degradano rapidamente a 40-60 grado C. Pertanto, standard di test come JIS 8711 e IEC 62660-1 (utilizzati per testare le prestazioni di singole batterie nei veicoli elettrici) stabiliscono che la temperatura del test di durata a lungo termine dovrebbe essere compresa tra 40-45 gradi C. Per prolungare la durata della batteria, le batterie dei veicoli sono progettate con un meccanismo di raffreddamento per mantenere la temperatura della batteria a non più di 45 gradi C. Le batterie dei veicoli devono comunque adattarsi alle basse temperature di -20 gradi C e inferiori, poiché la resistenza interna delle batterie secondarie solitamente aumenta e la capacità diminuisce significativamente a questa temperatura. Tuttavia, attualmente stiamo sviluppando batterie con eccellenti caratteristiche a bassa temperatura.
L’impatto delle velocità di carica e scarica:Le batterie dei veicoli hanno velocità di carica e scarica diverse durante l'uso e la differenza tra velocità di carica e scarica può influire sul processo di degrado. La norma IEC 62660-1 specifica la modalità di velocità di carica e scarica per le batterie dei veicoli durante l'uso. Al contrario, le batterie degli elettrodomestici vengono spesso utilizzate in uno stato di carica continua e anche il mantenimento di un valore SOC elevato è un fattore che porta al processo di degrado. A causa del significativo impatto delle condizioni di mercato sulla durata della batteria, è necessario studiare condizioni di test accelerate che possano anticipare questi ambienti di mercato.
5. Test della durata della batteria secondaria e modello di accelerazione
Panoramica delle caratteristiche dei test e dei modelli di accelerazione:Il test della durata della batteria secondaria si concentra principalmente su due caratteristiche fondamentali: durata di conservazione (durata prevista dal calendario) e durata del ciclo di carica e scarica. La durata di conservazione è correlata alla degradazione correlata alla temperatura. Come modello di accelerazione viene utilizzato il modello di Arrhenius. Si ritiene che la durata di conservazione sia determinata dall'aumento della resistenza interna causata dalla crescita della maschera facciale sulla superficie dell'elettrodo. La crescita del film è causata da una reazione chimica. La temperatura del test accelerato è superiore alla temperatura di servizio, ma la temperatura massima della batteria secondaria agli ioni di litio è solitamente limitata a 55-60 grado C, oltre la quale l'effetto di accelerazione non verrà generato a causa del progresso di diverse reazioni chimiche . Il metodo di estrapolazione basato sul degrado dell'invecchiamento lineare viene utilizzato per la previsione della vita a lungo termine (come nel caso di una relazione lineare con la radice quadrata del tempo di invecchiamento). Tuttavia, nell'uso pratico, è necessario considerare la durata del ciclo di carica/scarica e il modello di Arrhenius da solo non può esprimere pienamente la situazione reale, come nei casi in cui il rapporto tra durata di stoccaggio e durata del ciclo di carica/scarica è 9:1 e situazioni in cui la temperatura di conservazione ha un impatto significativo. Oltre al modello di Arrhenius, esistono vari modelli di accelerazione per i componenti elettronici e il loro utilizzo e combinazione sono determinati da fattori di degrado. È importante identificare fattori di degrado come l'umidità e lo stress meccanico ripetuto durante la creazione di modelli di accelerazione.
Limitazioni dei modelli di accelerazione e sfide nella previsione della durata della batteria:Quando si utilizzano modelli di accelerazione per la previsione della vita, i fattori vengono semplificati come fattori principali, con conseguenti errori significativi nei risultati dei calcoli. I componenti elettronici talvolta utilizzano i risultati del triplo calcolo come valutazioni del margine di sicurezza. Tuttavia, le prestazioni dei prodotti a batteria sono relativamente ridotte rispetto al margine di durata della batteria richiesto ed è necessaria una previsione accurata. Attualmente è estremamente difficile creare un metodo di previsione che determini una durata di servizio di 10-anno. Tuttavia, poiché gli sviluppatori si sforzano di garantire che il margine prestazionale in termini di durata di vita superi la domanda del mercato, si prevede che le prestazioni della batteria miglioreranno ulteriormente.
6. Riepilogo
Motivi della difficoltà nei test accelerati delle batterie secondarie
Rispetto a test simili su componenti o dispositivi elettronici, i test accelerati a lungo termine delle batterie secondarie sono attualmente più difficili, principalmente a causa dei seguenti fattori:
- La previsione della durata della batteria di solito non si basa sulla simulazione di ambienti più difficili o sulla moltiplicazione di fattori di sicurezza come componenti e dispositivi elettronici, probabilmente a causa della mancanza di margine sufficiente per le attuali prestazioni di durata della batteria rispetto alla domanda del mercato.
- Esistono ancora molte relazioni causali non chiare tra fenomeni di degrado e fattori di degrado, che potrebbero essere dovute alla difficoltà nell'analisi dei guasti delle batterie degradate e al numero limitato di casi.
- A causa della rapida velocità di sviluppo delle batterie, dei cambiamenti nella struttura dei materiali e delle difficoltà nell’analisi dei guasti menzionate in precedenza, è stato svolto un lavoro di verifica insufficiente sulla correlazione tra i dati sul degrado del mercato.