Soyut
Elektrikli araçların ve plug-in hibrit araçların yaygınlaşmasıyla birlikte ikincil bataryaların kullanım ömrünün en az 10 yıl olması hedefleniyor ve bu tür araçların gelecekte yaygınlaşması bekleniyor. Taşınabilir olmayan piller aynı zamanda uzun hizmet ömrüne de ihtiyaç duyarlar, bu da ikincil pillerin hızlanma testlerini büyük bir beklenti haline getirir. Bu makale, yarı iletkenlerin, elektronik bileşenlerin ve elektronik cihazların hızlanma testini karşılaştırmakta ve lityum iyon ikincil piller için hızlanma testinin mevcut durumu ve sorunları üzerinde durmaktadır.
1. Giriş
Lityum iyon ikincil pillerin araştırılması ve üretilmesi, performansın iyileştirilmesinde hızlı ilerleme kaydetmiştir. Lityum iyon ikincil piller için güvenliğin sağlanması en önemli konu olsa da elektrikli araçlarda ve plug-in hibrit araçlarda (büyüyen ve merakla beklenen bir pazar) kullanılan lityum iyon ikincil pillerin hedef ömrü 10 ila 15 yıldır. Taşınabilir olmayan piller için minimum 6 yıllık kullanım ömrü gereklidir. Bu talepler önümüzdeki yıllarda hızlandırılmış testlere ilişkin beklentilerin artmasına neden olacak. Buna karşılık, elektronik bileşenlerin ve cihazların hızlandırılmış testi alanında, yarı iletken/lehim bağlantısı ve baskılı devre kartı yalıtımı gibi parametrelerin bozulma mekanizmalarının ve hızlanma faktörlerinin aydınlatılması, ömür tahmin teknolojisinin ilerlemesine yardımcı olabilir. Elektronik bileşenlerin ve cihazların aksine, ikincil piller, bozulma/ömür tahmini ve hızlanma testi için yeterli örnek ve sistem teorilerinden yoksundur. Bu makale, lityum iyon ikincil pillerin hızlandırılmış testinin mevcut durumunu ve sorunlarını, yarı iletkenlerin, elektronik bileşenlerin ve elektronik cihazların hızlandırılmış testiyle karşılaştırarak açıklamaktadır.
2. Bozulmanın tanımı
JIS C 8711 (taşınabilir cihazlar için lityum ikincil pilleri kapsar), pil ömrünün sona ermesinin, şarj ve deşarj döngüleri sırasında kapasitenin başlangıç kapasitesinin %60'ına düştüğü zaman noktası olarak tanımlandığı ikincil pil ömrü değerlendirmesine bir örnek sağlar. Sabit sıcaklıkta saklanan pillerin önceden belirlenmiş bir yöntemle şarj edildikten sonra bozunması için tek hücreli piller için %70, pil paketleri için %60 değerleri de tanımlanmıştır. Üreticilerin bozunma değerlendirme standartları genellikle %80 gibi değerlerin kullanılması gibi bu değerlerden daha katıdır. Uzun süreli depolama sırasında pillerin bozulma oranının şarj durumlarıyla (SOC) orantılı olması nedeniyle, ikincil piller kullanım ortamına uyacak şekilde tasarlanarak düşük SOC'yi korumalarına ve uzun süreli kullanıma dayanmalarına olanak tanır. Pilin bozulma değeri belirlenen standartları karşıladığı sürece normal çalıştığı kabul edilir. Genel görüş, pillerin sarf malzemesi olduğu ve kapasitelerinin kaçınılmaz olarak azaldığı yönündedir. Şekil 1, lityum iyon ikincil pilin örnek bir deşarj eğrisini göstermektedir.
3. Bozunma faktörleri ve mekanizmaları
Lityum iyon ikincil pillerin her bir bileşeninin çeşitli bozulma faktörleri vardır ve bunları basitçe sınıflandırmak zordur. Bu zorluğun olası nedeni, pilin dahili durumunu etkilemeden sökülmesinin zor olması ve belirli bozulma mekanizmaları ile pil ömrü arasındaki ilişkinin her zaman net olmaması nedeniyle birkaç arıza analizi vakasının olmasıdır. Buna karşın elektronik bileşenlerde durum oldukça farklıdır. Elektronik bileşenler için birçok arıza analizi durumu vardır ve analiz teknolojisinin gelişmesiyle birlikte güvenilirlik teknolojisi ve ömür tahmin teknolojisi de geliştirilmiştir.
Şekil 2, lityum iyon ikincil pilin yapısını göstermektedir. Raporlara göre, elektrot yüzeyindeki membranların büyümesinin neden olduğu iç dirençteki artış, lityum iyon ikincil pillerin tipik bir bozulma faktörüdür. Diğer olası olaylar arasında aktif maddenin kristal yapısındaki değişikliklerin yanı sıra elektrot malzemesi veya akım toplayıcı arayüzündeki delaminasyon yer alır. Elektrolitlerin veya membranların neden olduğu bazı bozunma olayları nedeniyle, bu nedenlerin karakteristik değerlendirmelerden veya malzeme yapılarından tahmin edilmesi gerekir. Bu tür bozulmalar şarj deşarj döngüleri sırasında bir arada bulunabilir. İç dirençteki artışın ölçülmesine yönelik yöntemler arasında doğru akım direnç yöntemi (DC-IR) ve alternatif akım empedansı yöntemi bulunur. Sınırlı sayıda arıza analizi vakası nedeniyle, bozulma olgusu ile bozulma bölgeleri arasındaki nedensel ilişki hala belirsizdir. Ancak AC empedans yöntemi, yukarıda belirtilen faktörlerle ilgili dahili pil olgusunu ölçmek için umut verici bir tekniktir.
4. Lityum-iyon ikincil pil kullanım ortamının pil ömrü üzerindeki etkisi
Depolama sıcaklığı etkisi:Depolama sıcaklığı, lityum iyon ikincil piller için önemli bir bozulma faktörüdür. İç mekan kullanım ortam sıcaklığının maksimum 40 derece C civarına ulaşması beklenirken, dış mekan veya mobil cihazlardaki piller ise daha zorlu ortamlarla karşı karşıya kalıyor. Mevcut lityum iyon ikincil pillerin uzun vadeli özellikleri, 40-60 derece C'de hızla bozulur. Bu nedenle JIS 8711 ve IEC 62660-1 gibi test standartları (elektrikli araçlarda tek pillerin performans testi için kullanılır) uzun vadeli ömür testi sıcaklığının 40-45 derece C arasında olması gerektiğini şart koşar. Akü ömrünü uzatmak için, araç aküleri, akü sıcaklığını 45 derece C'nin üzerinde tutmayacak bir soğutma mekanizmasıyla tasarlanmıştır. Araç akülerinin yine de düşük sıcaklıklara uyum sağlamak -20 derece C ve altı, ikincil pillerin iç direnci genellikle arttığından ve bu sıcaklıkta kapasite önemli ölçüde azaldığından. Ancak şu anda mükemmel düşük sıcaklık özelliklerine sahip piller geliştiriyoruz.
Şarj etme ve boşaltma oranlarının etkisi:Araç aküleri, kullanım sırasında farklı şarj ve deşarj oranlarına sahiptir ve şarj ve deşarj oranlarındaki farklılık, bozulma sürecini etkileyebilir. IEC 62660-1, kullanım sırasında araç akülerinin şarj ve deşarj hızı modunu belirtir. Buna karşılık, ev aletlerinin pilleri sıklıkla sürekli şarjlı durumda kullanılır ve yüksek SOC'yi sürdürmek de bozulma sürecine yol açan bir faktördür. Piyasa koşullarının pil ömrü üzerindeki önemli etkisi nedeniyle, bu pazar ortamlarını önceden tahmin edebilecek hızlandırılmış test koşullarının incelenmesi gerekmektedir.
5. İkincil pil ömrü testi ve hızlanma modeli
Test Özelliklerine ve Hızlanma Modellerine Genel Bakış:İkincil pil ömrü testi temel olarak iki temel özelliğe odaklanır: depolama ömrü (takvim ömrü) ve şarj deşarj döngüsü ömrü. Depolama ömrü sıcaklığa bağlı bozulmayla ilgilidir. İvme modeli olarak Arrhenius modeli kullanılmaktadır. Depolama ömrünün, yüz maskesinin elektrot yüzeyinde büyümesinin neden olduğu iç direncin artmasıyla belirlendiğine inanılmaktadır. Filmin büyümesi kimyasal reaksiyondan kaynaklanır. Hızlandırılmış test sıcaklığı servis sıcaklığından daha yüksektir, ancak lityum iyon ikincil pilin maksimum sıcaklığı genellikle 55-60 derece C ile sınırlıdır; bunun ötesinde farklı kimyasal reaksiyonların ilerlemesi nedeniyle hızlanma etkisi oluşmayacaktır. . Doğrusal yaşlanma bozulmasına dayanan ekstrapolasyon yöntemi, uzun vadeli yaşam tahmini için kullanılır (yaşlanma süresinin karekökü ile doğrusal bir ilişki olduğu durum gibi). Ancak pratik kullanımda şarj deşarj çevrim ömrünün dikkate alınması gerekir ve depolama ömrünün şarj deşarj çevrim ömrüne oranının 9:1 olduğu durumlar gibi Arrhenius modeli tek başına gerçek durumu tam olarak ifade edemez. Depolama sıcaklığının önemli bir etkisi vardır. Arrhenius modeline ek olarak elektronik bileşenler için çeşitli hızlandırma modelleri mevcut olup bunların kullanımı ve kombinasyonu bozunma faktörleri tarafından belirlenmektedir. İvme modelleri oluşturulurken nem ve tekrarlanan mekanik stres gibi bozulma faktörlerinin belirlenmesi önemlidir.
Hızlanma modellerinin sınırlamaları ve pil ömrü tahminindeki zorluklar:Ömür tahmini için ivme modelleri kullanıldığında faktörler ana faktörler olarak basitleştirilir ve bu da hesaplama sonuçlarında önemli hatalara yol açar. Elektronik bileşenler bazen güvenlik payı değerlendirmeleri olarak üçlü hesaplama sonuçlarını kullanır. Ancak pil ürünlerinin performansı, gerekli pil ömrü marjına kıyasla nispeten küçüktür ve doğru tahmine ihtiyaç vardır. Şu anda 10-yıllık hizmet ömrünü belirleyen bir tahmin yöntemi oluşturmak son derece zordur. Ancak geliştiriciler kullanım ömrü performans marjının pazar talebini aşmasını sağlamaya çalıştıkça pil performansının daha da artması bekleniyor.
6. Özet
İkincil Pillerin Hızlandırılmış Testindeki Zorluk Nedenleri
Elektronik bileşenlerin veya cihazların benzer testleriyle karşılaştırıldığında, ikincil pillerin uzun vadeli hızlandırılmış testleri şu anda esas olarak aşağıdaki faktörlerden dolayı daha zordur:
- Pil ömrü tahmini genellikle daha zorlu ortamların simüle edilmesine veya elektronik bileşenler ve cihazlar gibi güvenlik faktörlerinin çoğaltılmasına dayanmaz; bunun nedeni, muhtemelen mevcut pil ömrü performansı için pazar talebine göre yeterli marjın bulunmamasıdır.
- Bozulma olgusu ile bozunma faktörleri arasında hâlâ pek çok belirsiz nedensel ilişki vardır; bu durum, bozulmuş pillerin arıza analizindeki zorluktan ve sınırlı sayıda vakadan kaynaklanıyor olabilir.
- Pillerin hızlı gelişim hızı, malzeme yapısındaki değişiklikler ve daha önce bahsedilen hata analizindeki zorluklar nedeniyle, piyasa bozulma verileri arasındaki korelasyona ilişkin doğrulama çalışmaları yetersiz kalmıştır.