Abstrakt
Mit dem Aufkommen von Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybridfahrzeugen liegt die angestrebte Lebensdauer von Sekundärbatterien bei mindestens 10 Jahren, und es wird erwartet, dass solche Fahrzeuge in Zukunft weit verbreitet sein werden. Auch bei nicht tragbaren Batterien besteht ein Bedarf an einer langen Lebensdauer, weshalb Beschleunigungstests von Sekundärbatterien mit Spannung erwartet werden. Dieser Artikel vergleicht die Beschleunigungsprüfung von Halbleitern, elektronischen Bauteilen und elektronischen Geräten und geht auf den aktuellen Stand und die Probleme der Beschleunigungsprüfung für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien ein.
1. Einführung
Die Forschung und Herstellung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien haben rasche Fortschritte bei der Verbesserung der Leistung gemacht. Obwohl die Gewährleistung der Sicherheit das wichtigste Thema bei Lithium-Ionen-Sekundärbatterien ist, beträgt die angestrebte Lebensdauer für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien, die in Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybridfahrzeugen (einem wachsenden und mit Spannung erwarteten Markt) verwendet werden, 10 bis 15 Jahre. Für nicht tragbare Batterien ist eine Mindestlebensdauer von 6 Jahren erforderlich. Diese Anforderungen werden in den kommenden Jahren steigende Erwartungen an beschleunigte Tests mit sich bringen. Im Bereich der beschleunigten Prüfung elektronischer Komponenten und Geräte hingegen kann die Aufklärung der Verschlechterungsmechanismen und Beschleunigungsfaktoren von Parametern wie Halbleiter-/Lötverbindungen und Leiterplattenisolierung dazu beitragen, die Technologie zur Lebensdauervorhersage voranzutreiben. Im Gegensatz zu elektronischen Komponenten und Geräten mangelt es Sekundärbatterien an ausreichenden Beispielen und Systemtheorien für die Vorhersage der Verschlechterung/Lebensdauer und Beschleunigungstests. Dieser Artikel beschreibt die aktuelle Situation und Probleme der beschleunigten Prüfung von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien im Vergleich zur beschleunigten Prüfung von Halbleitern, elektronischen Bauteilen und elektronischen Geräten.
2. Definition von Degradation
JIS C 8711 (für Lithium-Sekundärbatterien für tragbare Geräte) bietet ein Beispiel für die Bewertung der Lebensdauer von Sekundärbatterien, wobei das Ende der Batterielebensdauer als der Zeitpunkt definiert ist, an dem die Kapazität während der Lade- und Entladezyklen auf 60 % der ursprünglichen Kapazität abfällt. Für die Degradation von bei konstanter Temperatur gelagerten Batterien nach einer vorgegebenen Aufladung sind ebenfalls Werte von 70 % für Einzelzellen und 60 % für Batteriepacks definiert. Die von den Herstellern verwendeten Standards zur Bewertung der Verschlechterung sind in der Regel strenger als diese Werte, beispielsweise werden Werte wie 80 % verwendet. Da die Verschlechterungsrate von Batterien während der Langzeitlagerung proportional zu ihrem Ladezustand (SOC) ist, sind Sekundärbatterien so konzipiert, dass sie sich an die Nutzungsumgebung anpassen, sodass sie einen niedrigen SOC aufrechterhalten und einer Langzeitnutzung standhalten. Solange der Verschlechterungswert der Batterie den festgelegten Standards entspricht, gilt sie als normal funktionierend. Die allgemeine Ansicht ist, dass Batterien Verbrauchsmaterialien sind und ihre Kapazität zwangsläufig abnimmt. Abbildung 1 zeigt eine beispielhafte Entladekurve einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie.
3. Abbaufaktoren und -mechanismen
Jede Komponente von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien weist mehrere Verschlechterungsfaktoren auf und es ist schwierig, sie einfach zu klassifizieren. Der mögliche Grund für diese Schwierigkeit liegt darin, dass es nur wenige Fälle einer Fehleranalyse gibt, da es schwierig ist, die Batterie zu zerlegen, ohne ihren inneren Zustand zu beeinträchtigen, und der Zusammenhang zwischen bestimmten Verschlechterungsmechanismen und der Batterielebensdauer nicht immer klar ist. Ganz anders sieht es dagegen bei elektronischen Bauteilen aus. Es gibt viele Fehleranalysefälle für elektronische Komponenten, und mit der Verbesserung der Analysetechnologie wurden auch Zuverlässigkeitstechnologie und Lebensdauervorhersagetechnologie entwickelt.
Abbildung 2 zeigt den Aufbau einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie. Berichten zufolge ist die Erhöhung des Innenwiderstands durch das Wachstum von Membranen auf der Elektrodenoberfläche ein typischer Degradationsfaktor von Lithium-Ionen-Sekundärbatterien. Weitere mögliche Phänomene sind Veränderungen in der Kristallstruktur des Wirkstoffs sowie Delaminationen am Elektrodenmaterial oder an der Stromkollektorschnittstelle. Aufgrund einiger Degradationsphänomene, die durch Elektrolyte oder Membranen verursacht werden, ist es notwendig, diese Ursachen anhand charakteristischer Bewertungen oder Materialstrukturen abzuschätzen. Diese Arten der Verschlechterung können während Lade-Entlade-Zyklen gleichzeitig auftreten. Zu den Methoden zur Messung des Anstiegs des Innenwiderstands gehören die Gleichstromwiderstandsmethode (DC-IR) und die Wechselstromimpedanzmethode. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Fehleranalysefällen ist der kausale Zusammenhang zwischen Degradationsphänomenen und Degradationsstellen noch unklar. Allerdings ist die Wechselstromimpedanzmethode eine vielversprechende Technik zur Messung interner Batteriephänomene, die mit den oben genannten Faktoren zusammenhängen.
4. Der Einfluss der Umgebung, in der Lithium-Ionen-Sekundärbatterien verwendet werden, auf die Batterielebensdauer
Einfluss der Lagertemperatur:Die Lagertemperatur ist ein wichtiger Degradationsfaktor für Lithium-Ionen-Sekundärbatterien. Es wird erwartet, dass die Umgebungstemperatur im Innenbereich maximal etwa 40 Grad Celsius erreicht, während Batterien in Outdoor- oder Mobilgeräten raueren Umgebungen ausgesetzt sind. Die Langzeiteigenschaften aktueller Lithium-Ionen-Sekundärbatterien verschlechtern sich bei 40-60 Grad C schnell. Daher gelten Prüfnormen wie JIS 8711 und IEC 62660-1 (für Leistungstests einzelner Batterien in Elektrofahrzeugen verwendet). schreiben vor, dass die Langzeittesttemperatur zwischen 40-45 Grad C liegen sollte. Um die Batterielebensdauer zu verlängern, sind Fahrzeugbatterien mit einem Kühlmechanismus ausgestattet, der die Batterietemperatur auf nicht mehr als 45 Grad C hält. Fahrzeugbatterien müssen dies weiterhin tun sich an niedrige Temperaturen anpassen -20 Grad C und darunter, da der Innenwiderstand von Sekundärbatterien bei dieser Temperatur normalerweise zunimmt und die Kapazität deutlich abnimmt. Allerdings entwickeln wir derzeit Batterien mit hervorragenden Tieftemperatureigenschaften.
Die Auswirkung der Lade- und Entladeraten:Fahrzeugbatterien weisen während des Gebrauchs unterschiedliche Lade- und Entladeraten auf, und der Unterschied in den Lade- und Entladeraten kann sich auf den Verschlechterungsprozess auswirken. IEC 62660-1 spezifiziert den Lade- und Entladeratenmodus für Fahrzeugbatterien während des Gebrauchs. Im Gegensatz dazu werden Haushaltsgerätebatterien häufig in einem kontinuierlich geladenen Zustand verwendet, und auch die Aufrechterhaltung eines hohen Ladezustands ist ein Faktor, der zum Degradationsprozess führt. Aufgrund der erheblichen Auswirkungen der Marktbedingungen auf die Batterielebensdauer ist es notwendig, beschleunigte Testbedingungen zu untersuchen, die diese Marktumgebungen vorhersehen können.
5. Test- und Beschleunigungsmodell für die Lebensdauer der Sekundärbatterie
Übersicht über Testeigenschaften und Beschleunigungsmodelle:Die Prüfung der Lebensdauer von Sekundärbatterien konzentriert sich hauptsächlich auf zwei grundlegende Merkmale: die Lagerlebensdauer (Kalenderlebensdauer) und die Lebensdauer des Lade-/Entladezyklus. Die Haltbarkeit hängt von der temperaturbedingten Zersetzung ab. Als Beschleunigungsmodell wird das Arrhenius-Modell verwendet. Es wird angenommen, dass die Lagerfähigkeit durch den Anstieg des Innenwiderstands bestimmt wird, der durch das Wachstum der Gesichtsmaske auf der Elektrodenoberfläche verursacht wird. Das Filmwachstum wird durch eine chemische Reaktion verursacht. Die beschleunigte Testtemperatur ist höher als die Betriebstemperatur, aber die maximale Temperatur der Lithium-Ionen-Sekundärbatterie ist normalerweise auf 55-60 Grad C begrenzt, jenseits dieser Temperatur wird der Beschleunigungseffekt aufgrund des Fortschreitens verschiedener chemischer Reaktionen nicht erzeugt . Die auf der linearen Alterungsdegradation basierende Extrapolationsmethode wird für die langfristige Lebensdauervorhersage verwendet (wie beispielsweise im Fall einer linearen Beziehung zur Quadratwurzel der Alterungszeit). Im praktischen Einsatz muss jedoch die Lebensdauer des Lade-Entlade-Zyklus berücksichtigt werden, und das Arrhenius-Modell allein kann die tatsächliche Situation nicht vollständig ausdrücken, z. B. in Fällen, in denen das Verhältnis von Lagerlebensdauer zu Lebensdauer des Lade-Entlade-Zyklus 9:1 beträgt, und in Situationen, in denen Die Lagertemperatur hat einen erheblichen Einfluss. Neben dem Arrhenius-Modell gibt es verschiedene Beschleunigungsmodelle für elektronische Komponenten, deren Einsatz und Kombination durch Degradationsfaktoren bestimmt werden. Bei der Erstellung von Beschleunigungsmodellen ist es wichtig, Degradationsfaktoren wie Feuchtigkeit und wiederholte mechanische Beanspruchung zu identifizieren.
Einschränkungen von Beschleunigungsmodellen und Herausforderungen bei der Vorhersage der Batterielebensdauer:Bei der Verwendung von Beschleunigungsmodellen zur Lebensvorhersage werden Faktoren als Hauptfaktoren vereinfacht, was zu erheblichen Fehlern in den Berechnungsergebnissen führt. Elektronische Komponenten verwenden manchmal dreifache Berechnungsergebnisse zur Bewertung der Sicherheitsmarge. Allerdings ist die Leistung von Batterieprodukten im Vergleich zur erforderlichen Batterielebensdauerspanne relativ gering und eine genaue Vorhersage ist erforderlich. Derzeit ist es äußerst schwierig, eine Vorhersagemethode zu erstellen, die eine Lebensdauer von 10-Jahren bestimmt. Da die Entwickler jedoch bestrebt sind, sicherzustellen, dass die Lebensdauer-Leistungsspanne die Marktnachfrage übersteigt, wird erwartet, dass sich die Batterieleistung weiter verbessert.
6. Zusammenfassung
Gründe für Schwierigkeiten bei der beschleunigten Prüfung von Sekundärbatterien
Im Vergleich zu ähnlichen Prüfungen elektronischer Komponenten oder Geräte ist die beschleunigte Langzeitprüfung von Sekundärbatterien derzeit schwieriger, hauptsächlich aufgrund der folgenden Faktoren:
- Die Vorhersage der Batterielebensdauer basiert normalerweise nicht auf der Simulation rauerer Umgebungen oder der Multiplikation von Sicherheitsfaktoren wie elektronischen Komponenten und Geräten, was möglicherweise daran liegt, dass kein ausreichender Spielraum für die aktuelle Batterielebensdauer im Verhältnis zur Marktnachfrage vorhanden ist.
- Es gibt immer noch viele unklare kausale Zusammenhänge zwischen Degradationsphänomenen und Degradationsfaktoren, was möglicherweise auf die schwierige Fehleranalyse degradierter Batterien und die begrenzte Anzahl von Fällen zurückzuführen ist.
- Aufgrund der hohen Entwicklungsgeschwindigkeit von Batterien, Änderungen in der Materialstruktur und der bereits erwähnten Schwierigkeiten bei der Fehleranalyse wurden nur unzureichende Verifizierungsarbeiten zur Korrelation zwischen Marktverschlechterungsdaten durchgeführt.