Resumo
Com o surgimento dos veículos elétricos e dos veículos híbridos plug-in, a vida útil prevista das baterias secundárias é de pelo menos 10 anos, e espera-se que tais veículos sejam amplamente popularizados no futuro. Baterias não portáteis também exigem longa vida útil, o que torna os testes de aceleração de baterias secundárias altamente esperados. Este artigo compara os testes de aceleração de semicondutores, componentes eletrônicos e dispositivos eletrônicos e discorre sobre a situação atual e os problemas dos testes de aceleração para baterias secundárias de íons de lítio.
1. Introdução
A pesquisa e a fabricação de baterias secundárias de íons de lítio progrediram rapidamente na melhoria do desempenho. Embora garantir a segurança seja a questão mais importante para as baterias secundárias de iões de lítio, a vida útil prevista para as baterias secundárias de iões de lítio utilizadas em veículos elétricos e veículos híbridos plug-in (um mercado crescente e altamente esperado) é de 10 a 15 anos. Para baterias não portáteis, é necessária uma vida útil mínima de 6 anos. Estas exigências criarão expectativas crescentes em testes acelerados nos próximos anos. Em contraste, no campo de testes acelerados de componentes e dispositivos eletrônicos, elucidar os mecanismos de degradação e fatores de aceleração de parâmetros como ligação de semicondutores/solda e isolamento de placas de circuito impresso pode ajudar a avançar a tecnologia de previsão de vida. Ao contrário dos componentes e dispositivos eletrônicos, as baterias secundárias carecem de exemplos e teorias de sistema suficientes para previsão de degradação/vida útil e testes de aceleração. Este artigo descreve a situação atual e os problemas de testes acelerados de baterias secundárias de íons de lítio, comparando-os com testes acelerados de semicondutores, componentes eletrônicos e dispositivos eletrônicos.
2. Definição de degradação
JIS C 8711 (abrangendo baterias secundárias de lítio para dispositivos portáteis) fornece um exemplo de avaliação da vida útil da bateria secundária, onde o término da vida útil da bateria é definido como o momento em que a capacidade cai para 60% da capacidade inicial durante os ciclos de carga e descarga. Para a degradação de baterias armazenadas a temperatura constante após serem carregadas por um método pré-determinado, também são definidos os valores de 70% para células individuais e 60% para conjuntos de baterias. Os padrões de avaliação de degradação dos fabricantes são geralmente mais rigorosos do que esses valores, como usar valores como 80%. Devido ao fato de que a taxa de degradação das baterias durante o armazenamento a longo prazo é proporcional ao seu estado de carga (SOC), as baterias secundárias são projetadas para corresponder ao ambiente de uso, permitindo-lhes manter um SOC baixo e suportar o uso a longo prazo. Desde que o valor de degradação da bateria atenda aos padrões estabelecidos, considera-se que ela está funcionando normalmente. A opinião geral é que as baterias são consumíveis e a sua capacidade diminui inevitavelmente. A Figura 1 mostra um exemplo de curva de descarga de uma bateria secundária de íon de lítio.
3. Fatores e mecanismos de degradação
Cada componente das baterias secundárias de íons de lítio possui vários fatores de degradação e é difícil classificá-los de forma simples. A possível razão para esta dificuldade é que existem poucos casos de análise de falhas, pois é difícil desmontar a bateria sem afetar o seu estado interno, e a relação entre mecanismos específicos de degradação e a vida útil da bateria nem sempre é clara. Em contraste, a situação com os componentes eletrônicos é bem diferente. Existem muitos casos de análise de falhas para componentes eletrônicos e, com o aprimoramento da tecnologia de análise, também foram desenvolvidas tecnologias de confiabilidade e tecnologia de previsão de vida.
A Figura 2 mostra a estrutura de uma bateria secundária de íons de lítio. Segundo relatos, o aumento da resistência interna causado pelo crescimento de membranas na superfície do eletrodo é um fator de degradação típico das baterias secundárias de íon-lítio. Outros fenómenos possíveis incluem alterações na estrutura cristalina da substância activa, bem como delaminação no material do eléctrodo ou na interface do colector de corrente. Devido a alguns fenômenos de degradação causados por eletrólitos ou membranas, é necessário estimar essas razões a partir de avaliações características ou estruturas de materiais. Esses tipos de degradação podem coexistir durante os ciclos de descarga de carga. Os métodos para medir o aumento da resistência interna incluem o método de resistência de corrente contínua (DC-IR) e o método de impedância de corrente alternada. Devido ao número limitado de casos de análise de falhas, a relação causal entre fenómenos de degradação e locais de degradação ainda não é clara. No entanto, o método de impedância AC é uma técnica promissora para medir fenômenos internos da bateria relacionados aos fatores acima mencionados.
4. O impacto do ambiente de uso da bateria secundária de íons de lítio na vida útil da bateria
Impacto da temperatura de armazenamento:A temperatura de armazenamento é um importante fator de degradação para baterias secundárias de íons de lítio. Espera-se que a temperatura do ambiente de uso interno atinja um máximo de cerca de 40 graus C, enquanto as baterias em dispositivos externos ou móveis enfrentam ambientes mais agressivos. As características de longo prazo das atuais baterias secundárias de íons de lítio degradam-se rapidamente a 40-60 graus C. Portanto, padrões de teste como JIS 8711 e IEC 62660-1 (usados para testes de desempenho de baterias individuais em veículos elétricos) estipular que a temperatura do teste de vida útil de longo prazo deve estar entre 40-45 graus C. Para prolongar a vida útil da bateria, as baterias dos veículos são projetadas com um mecanismo de resfriamento para manter a temperatura da bateria em não mais que 45 graus C. As baterias dos veículos ainda precisam adaptar-se a baixas temperaturas de -20 graus C e abaixo, pois a resistência interna das baterias secundárias geralmente aumenta e a capacidade diminui significativamente nesta temperatura. No entanto, estamos atualmente desenvolvendo baterias com excelentes características de baixa temperatura.
O impacto das taxas de carga e descarga:As baterias dos veículos têm diferentes taxas de carga e descarga durante o uso, e a diferença nas taxas de carga e descarga pode afetar o processo de degradação. IEC 62660-1 especifica o modo de taxa de carga e descarga para baterias de veículos durante o uso. Em contraste, as baterias de eletrodomésticos são frequentemente usadas em estado de carga contínua, e a manutenção de um SOC elevado também é um fator que leva ao processo de degradação. Devido ao impacto significativo das condições de mercado na vida útil da bateria, é necessário estudar condições de testes acelerados que possam antecipar estes ambientes de mercado.
5. Teste de vida útil da bateria secundária e modelo de aceleração
Visão geral das características de teste e modelos de aceleração:O teste de vida útil da bateria secundária concentra-se principalmente em duas características básicas: vida útil do armazenamento (vida útil do calendário) e vida útil do ciclo de descarga de carga. A vida útil de armazenamento está relacionada à degradação relacionada à temperatura. O modelo de Arrhenius é usado como modelo de aceleração. Acredita-se que o tempo de armazenamento seja determinado pelo aumento da resistência interna causado pelo crescimento da máscara facial na superfície do eletrodo. O crescimento do filme é causado por reação química. A temperatura de teste acelerada é superior à temperatura de serviço, mas a temperatura máxima da bateria secundária de íon de lítio é geralmente limitada a 55-60 graus C, além do qual o efeito de aceleração não será gerado devido ao progresso de diferentes reações químicas . O método de extrapolação baseado na degradação linear do envelhecimento é usado para previsão de vida a longo prazo (como é o caso com uma relação linear com a raiz quadrada do tempo de envelhecimento). No entanto, na utilização prática, a vida do ciclo de descarga de carga precisa de ser considerada, e o modelo de Arrhenius por si só não pode expressar completamente a situação real, tais como casos em que a relação entre a vida útil de armazenamento e a vida útil do ciclo de descarga de carga é de 9:1, e situações em que a temperatura de armazenamento tem um impacto significativo. Além do modelo de Arrhenius, existem vários modelos de aceleração para componentes eletrônicos, e seu uso e combinação são determinados por fatores de degradação. É importante identificar fatores de degradação como umidade e estresse mecânico repetido ao criar modelos de aceleração.
Limitações dos modelos de aceleração e desafios na previsão da vida útil da bateria:Ao usar modelos de aceleração para previsão de vida, os fatores são simplificados como fatores principais, resultando em erros significativos nos resultados dos cálculos. Os componentes eletrônicos às vezes usam resultados de cálculo triplo como avaliações de margem de segurança. No entanto, o desempenho dos produtos de bateria é relativamente pequeno em comparação com a margem de vida útil necessária da bateria, e é necessária uma previsão precisa. Atualmente, é extremamente difícil criar um método de previsão que determine uma vida útil de 10-anos. No entanto, à medida que os desenvolvedores se esforçam para garantir que a margem de desempenho durante a vida útil exceda a demanda do mercado, espera-se que o desempenho da bateria melhore ainda mais.
6. Resumo
Razões para dificuldade em testes acelerados de baterias secundárias
Em comparação com testes semelhantes de componentes ou dispositivos eletrônicos, os testes acelerados de longo prazo de baterias secundárias são atualmente mais difíceis, principalmente devido aos seguintes fatores:
- A previsão da vida útil da bateria geralmente não se baseia na simulação de ambientes mais severos ou na multiplicação de fatores de segurança, como componentes e dispositivos eletrônicos, possivelmente devido à falta de margem suficiente para o desempenho atual da vida útil da bateria em relação à demanda do mercado.
- Ainda existem muitas relações causais pouco claras entre fenômenos de degradação e fatores de degradação, o que pode ser devido à dificuldade na análise de falhas de baterias degradadas e ao número limitado de casos.
- Devido à rápida velocidade de desenvolvimento das baterias, às mudanças na estrutura do material e às dificuldades na análise de falhas mencionadas anteriormente, foi realizado um trabalho de verificação insuficiente sobre a correlação entre os dados de degradação do mercado.