Abstrakti
Sähköajoneuvojen ja ladattavien hybridiajoneuvojen nousun myötä toisioakkujen tavoitekäyttöikä on vähintään 10 vuotta, ja tällaisten ajoneuvojen odotetaan kasvavan laajalti suosiota tulevaisuudessa. Muilla kannettavilla akuilla on myös vaatimus pitkälle käyttöikään, mikä tekee toisioakkujen kiihtyvyystestauksen erittäin odotettavissa. Tässä artikkelissa verrataan puolijohteiden, elektronisten komponenttien ja elektronisten laitteiden kiihtyvyystestausta ja käsitellään litiumioniakkujen kiihtyvyystestauksen nykytilaa ja ongelmia.
1. Johdanto
Litiumioniakkujen tutkimus ja valmistus ovat edistyneet nopeasti suorituskyvyn parantamisessa. Vaikka turvallisuuden varmistaminen on litiumioniakkujen tärkein kysymys, sähköajoneuvoissa ja pistokehybridiajoneuvoissa käytettävien litiumioniakkujen tavoitekäyttöikä (kasvava ja odotettu markkina) on 10–15 vuotta. Muiden kuin kannettavien akkujen käyttöikä on vähintään 6 vuotta. Nämä vaatimukset lisäävät odotuksia nopeutetusta testauksesta tulevina vuosina. Sitä vastoin elektronisten komponenttien ja laitteiden nopeutetun testauksen alalla parametrien, kuten puolijohteen ja juotosliitoksen ja painetun piirilevyn eristyksen, huononemismekanismien ja kiihtyvyystekijöiden selvittäminen voi auttaa edistämään eliniän ennustamistekniikkaa. Toisin kuin elektroniset komponentit ja laitteet, toissijaisista akuista puuttuu riittävästi esimerkkejä ja järjestelmäteorioita hajoamisen/elämän ennustamiseen ja kiihtyvyystestaukseen. Tässä artikkelissa kuvataan litiumioniakkujen nopeutetun testauksen nykytilanne ja ongelmia vertaamalla sitä puolijohteiden, elektronisten komponenttien ja elektronisten laitteiden nopeutettuun testaukseen.
2. Hajoamisen määritelmä
JIS C 8711 (kattaa kannettavien laitteiden litiumakut) tarjoaa esimerkin toissijaisen akun käyttöiän arvioinnista, jossa akun käyttöiän päättäminen määritellään ajankohdaksi, jolloin kapasiteetti putoaa 60 prosenttiin alkuperäisestä kapasiteetista lataus- ja purkausjaksojen aikana. Vakiolämpötilassa varastoitujen akkujen hajoamiselle sen jälkeen, kun ne on ladattu ennalta määrätyllä menetelmällä, määritetään myös arvot 70 % yksittäisille kennoille ja 60 % akkupakkauksille. Valmistajien hajoamisen arviointistandardit ovat yleensä näitä arvoja tiukempia, esimerkiksi käyttämällä arvoja, kuten 80 %. Koska akkujen hajoamisnopeus pitkäaikaisen varastoinnin aikana on verrannollinen niiden lataustilaan (SOC), toissijaiset akut on suunniteltu sopimaan käyttöympäristöön, jolloin ne voivat säilyttää alhaisen SOC-arvon ja kestää pitkäaikaista käyttöä. Niin kauan kuin akun kulumisarvo täyttää asetetut standardit, sen katsotaan toimivan normaalisti. Yleinen näkemys on, että akut ovat kulutustavaroita ja niiden kapasiteetti väistämättä pienenee. Kuvassa 1 on esimerkki litiumioniakun purkauskäyrästä.
3. Hajoamistekijät ja -mekanismit
Jokaisella litiumioniakkujen komponentilla on useita hajoamistekijöitä, ja niitä on vaikea luokitella yksinkertaisesti. Mahdollinen syy tähän vaikeuteen on se, että vikaanalyysejä on vähän, koska akun purkaminen on vaikeaa vaikuttamatta sen sisäiseen tilaan, ja tiettyjen huononemismekanismien ja akun käyttöiän välinen suhde ei ole aina selvä. Sen sijaan elektronisten komponenttien kohdalla tilanne on aivan toinen. Elektroniikkakomponenttien vika-analyysitapauksia on monia, ja analyysitekniikan parantuessa on kehitetty myös luotettavuusteknologiaa ja eliniän ennustamistekniikkaa.
Kuvassa 2 on esitetty litiumioniakun rakenne. Raporttien mukaan sisäisen vastuksen kasvu, joka johtuu kalvojen kasvusta elektrodin pinnalla, on litiumioniakkujen tyypillinen huononemistekijä. Muita mahdollisia ilmiöitä ovat muutokset vaikuttavan aineen kiderakenteessa sekä delaminaatio elektrodimateriaalissa tai virrankollektorin rajapinnassa. Joidenkin elektrolyyttien tai kalvojen aiheuttamien hajoamisilmiöiden vuoksi on tarpeen arvioida nämä syyt ominaisuusarvioinneista tai materiaalirakenteista. Tämän tyyppinen hajoaminen voi esiintyä rinnakkain latauspurkausjaksojen aikana. Sisäisen vastuksen kasvun mittausmenetelmiä ovat tasavirtaresistanssimenetelmä (DC-IR) ja vaihtovirtaimpedanssimenetelmä. Vika-analyysitapausten rajallisen määrän vuoksi hajoamisilmiöiden ja hajoamispaikkojen välinen syy-yhteys on edelleen epäselvä. AC-impedanssimenetelmä on kuitenkin lupaava tekniikka edellä mainittuihin tekijöihin liittyvien akun sisäisten ilmiöiden mittaamiseen.
4. Litiumioniakun käyttöympäristön vaikutus akun käyttöikään
Säilytyslämpötilan vaikutus:Säilytyslämpötila on litiumioniakkujen tärkeä huononemistekijä. Sisäkäyttöympäristön lämpötilan odotetaan nousevan korkeintaan noin 40 asteeseen, kun taas ulko- tai mobiililaitteiden akut kohtaavat ankarammat ympäristöt. Nykyisten litiumioniakkujen pitkän aikavälin ominaisuudet heikkenevät nopeasti 40-60 C asteessa. Siksi testausstandardit, kuten JIS 8711 ja IEC 62660-1 (käytetään yksittäisten akkujen suorituskyvyn testaamiseen sähköajoneuvoissa) määrätään, että pitkän käyttöiän testin lämpötilan tulee olla välillä 40-45 C. Akun käyttöiän pidentämiseksi ajoneuvojen akut on suunniteltu jäähdytysmekanismilla, joka pitää akun lämpötilan enintään 45 asteessa. Ajoneuvojen akkujen on vielä mukauduttava alhaisiin lämpötiloihin, -20 C astetta ja alle, koska toisioakkujen sisäinen vastus yleensä kasvaa ja kapasiteetti pienenee merkittävästi tässä lämpötilassa. Kehitämme kuitenkin parhaillaan akkuja, joilla on erinomaiset alhaisen lämpötilan ominaisuudet.
Lataus- ja purkunopeuden vaikutus:Ajoneuvojen akuilla on erilaiset lataus- ja purkunopeudet käytön aikana, ja lataus- ja purkausnopeuksien erot voivat vaikuttaa hajoamisprosessiin. IEC 62660-1 määrittää ajoneuvon akkujen lataus- ja purkunopeustilan käytön aikana. Sitä vastoin kodinkoneiden akkuja käytetään usein jatkuvasti ladatussa tilassa, ja korkean SOC:n ylläpitäminen on myös tekijä, joka johtaa hajoamisprosessiin. Koska markkinaolosuhteet vaikuttavat merkittävästi akun käyttöikään, on tarpeen tutkia nopeutettuja testausolosuhteita, jotka voivat ennakoida näitä markkinaympäristöjä.
5. Toissijaisen akun käyttöiän testaus ja kiihtyvyysmalli
Yleiskatsaus testausominaisuuksiin ja kiihtyvyysmalleihin:Toissijainen akun käyttöiän testaus keskittyy pääasiassa kahteen perusominaisuuteen: säilyvyyteen (kalenterikäyttöön) ja latauksen purkausjakson kestoon. Varastointiaika liittyy lämpötilaan liittyvään hajoamiseen. Arrhenius-mallia käytetään kiihtyvyysmallina. Uskotaan, että säilytysaika määräytyy sisäisen resistanssin kasvun perusteella, jonka aiheuttaa kasvonaamion kasvu elektrodin pinnalla. Kalvon kasvu johtuu kemiallisesta reaktiosta. Kiihdytetty testilämpötila on korkeampi kuin käyttölämpötila, mutta litiumioniakun maksimilämpötila on yleensä rajoitettu 55-60 asteeseen C, jonka jälkeen kiihtyvyysvaikutusta ei synny erilaisten kemiallisten reaktioiden etenemisen vuoksi. . Lineaariseen ikääntymisen hajoamiseen perustuvaa ekstrapolointimenetelmää käytetään pitkän aikavälin eliniän ennustamiseen (kuten tapaus, jossa on lineaarinen suhde ikääntymisajan neliöjuureen). Käytännössä varauksen purkausjakson kesto on kuitenkin otettava huomioon, eikä Arrhenius-malli yksinään pysty täysin ilmaisemaan todellista tilannetta, kuten tapauksia, joissa varastointiajan suhde varauksen purkausjakson kestoon on 9:1 ja tilanteet, joissa varastointilämpötilalla on merkittävä vaikutus. Arrhenius-mallin lisäksi elektroniikkakomponenteille on olemassa erilaisia kiihtyvyysmalleja, joiden käyttö ja yhdistelmä määräytyvät huononemistekijöiden mukaan. Kiihtyvyysmalleja luotaessa on tärkeää tunnistaa hajoamistekijät, kuten kosteus ja toistuva mekaaninen rasitus.
Kiihtyvyysmallien rajoitukset ja haasteet akun käyttöiän ennustamisessa:Käytettäessä kiihtyvyysmalleja elämän ennustamiseen tekijät yksinkertaistuvat päätekijöiksi, mikä johtaa merkittäviin virheisiin laskentatuloksissa. Elektroniset komponentit käyttävät joskus kolminkertaisia laskentatuloksia turvamarginaaliarvioina. Akkutuotteiden suorituskyky on kuitenkin suhteellisen pieni vaadittuun akun käyttöikään verrattuna, ja tarkka ennuste on tarpeen. Tällä hetkellä on erittäin vaikeaa luoda ennustemenetelmää, joka määrittää 10-vuoden käyttöiän. Koska kehittäjät pyrkivät kuitenkin varmistamaan, että käyttöiän suorituskykymarginaali ylittää markkinoiden kysynnän, akun suorituskyvyn odotetaan paranevan edelleen.
6. Yhteenveto
Toissijaisten akkujen nopeutetun testauksen vaikeuksien syyt
Verrattuna vastaaviin elektronisten komponenttien tai laitteiden testaukseen, toisioakkujen pitkäaikainen nopeutettu testaus on tällä hetkellä vaikeampaa, mikä johtuu pääasiassa seuraavista tekijöistä:
- Akun käyttöiän ennuste ei yleensä perustu ankarampien ympäristöjen simulointiin tai turvallisuustekijöiden, kuten elektronisten komponenttien ja laitteiden, moninkertaistamiseen, mikä saattaa johtua siitä, että akun nykyiselle suorituskykylle ei ole riittävästi marginaalia suhteessa markkinoiden kysyntään.
- Hajoamisilmiöiden ja hajoamistekijöiden välillä on edelleen monia epäselviä syy-yhteyksiä, jotka voivat johtua huonontuneiden akkujen vian analysoinnin vaikeudesta ja tapausten rajallisuudesta.
- Akkujen nopeasta kehitysnopeudesta, materiaalirakenteen muutoksista ja aiemmin mainituista vian analysointivaikeuksista johtuen markkinoiden hajoamistietojen korrelaatiota ei ole varmistettu riittävästi.