การทดสอบแบตเตอรี่สำรองลิเธียมไอออนแบบเร่ง: เผยเส้นทางสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพ

เชิงนามธรรม

ด้วยการเพิ่มขึ้นของรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด เป้าหมายอายุการใช้งานของแบตเตอรี่สำรองคืออย่างน้อย 10 ปี และคาดว่ายานพาหนะดังกล่าวจะได้รับความนิยมอย่างกว้างขวางในอนาคต แบตเตอรี่ที่ไม่สามารถพกพาได้ยังมีความต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนาน ซึ่งทำให้การทดสอบการเร่งความเร็วของแบตเตอรี่สำรองเป็นที่ต้องการอย่างมาก บทความนี้จะเปรียบเทียบการทดสอบความเร่งของเซมิคอนดักเตอร์ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับสถานะปัจจุบันและปัญหาของการทดสอบความเร่งของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิ

1. บทนำ

การวิจัยและการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในการปรับปรุงประสิทธิภาพ แม้ว่าการรับรองความปลอดภัยเป็นปัญหาที่สำคัญที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิ แต่อายุการใช้งานเป้าหมายสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด (ตลาดที่กำลังเติบโตและคาดว่าจะสูง) คือ 10 ถึง 15 ปี สำหรับแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถพกพาได้ จะต้องมีอายุการใช้งานอย่างน้อย 6 ปี ความต้องการเหล่านี้จะทำให้เกิดความคาดหวังที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการทดสอบแบบเร่งรัดในปีต่อๆ ไป ในทางตรงกันข้าม ในด้านการทดสอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์แบบเร่ง การอธิบายกลไกการย่อยสลายและปัจจัยการเร่งความเร็วของพารามิเตอร์ เช่น พันธะเซมิคอนดักเตอร์/บัดกรี และฉนวนของแผงวงจรพิมพ์ สามารถช่วยพัฒนาเทคโนโลยีทำนายอายุการใช้งานได้ แบตเตอรี่ทุติยภูมิต่างจากส่วนประกอบและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตรงที่ขาดตัวอย่างและทฤษฎีระบบที่เพียงพอสำหรับการทำนายการเสื่อมสภาพ/อายุการใช้งาน และการทดสอบความเร่ง บทความนี้จะอธิบายสถานการณ์ปัจจุบันและปัญหาของการทดสอบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิแบบเร่งโดยเปรียบเทียบกับการทดสอบแบบเร่งของเซมิคอนดักเตอร์ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

2. คำจำกัดความของการย่อยสลาย

JIS C 8711 (ครอบคลุมแบตเตอรี่สำรองลิเธียมสำหรับอุปกรณ์พกพา) เป็นตัวอย่างการประเมินอายุการใช้งานแบตเตอรี่สำรอง โดยที่การสิ้นสุดอายุการใช้งานแบตเตอรี่หมายถึงเวลาที่ความจุลดลงเหลือ 60% ของความจุเริ่มต้นในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ สำหรับการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ที่เก็บไว้ที่อุณหภูมิคงที่หลังจากชาร์จด้วยวิธีที่กำหนดไว้ล่วงหน้าแล้ว ให้กำหนดค่าร้อยละ 70 สำหรับเซลล์เดี่ยวและร้อยละ 60 สำหรับชุดแบตเตอรี่ด้วย มาตรฐานการประเมินการย่อยสลายของผู้ผลิตมักจะเข้มงวดกว่าค่าเหล่านี้ เช่น การใช้ค่าเช่น 80% เนื่องจากอัตราการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ระหว่างการเก็บรักษาระยะยาวเป็นสัดส่วนกับสถานะการชาร์จ (SOC) แบตเตอรี่สำรองจึงได้รับการออกแบบให้ตรงกับสภาพแวดล้อมการใช้งาน ทำให้สามารถรักษา SOC ต่ำและทนทานต่อการใช้งานในระยะยาว ตราบใดที่ค่าการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่เป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนดก็ถือว่าใช้งานได้ตามปกติ มุมมองทั่วไปคือแบตเตอรี่เป็นวัสดุสิ้นเปลืองและความจุของแบตเตอรี่ลดลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างเส้นโค้งการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิ

3. ปัจจัยและกลไกการย่อยสลาย

ส่วนประกอบแต่ละส่วนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิมีปัจจัยการย่อยสลายหลายประการ และเป็นการยากที่จะจำแนกประเภทอย่างง่ายๆ สาเหตุที่เป็นไปได้สำหรับความยากลำบากนี้คือ มีบางกรณีของการวิเคราะห์ข้อผิดพลาด เนื่องจากการถอดแยกชิ้นส่วนแบตเตอรี่โดยไม่ส่งผลกระทบต่อสถานะภายในทำได้ยาก และความสัมพันธ์ระหว่างกลไกการย่อยสลายเฉพาะกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ก็ไม่ชัดเจนเสมอไป ในทางตรงกันข้าม สถานการณ์เกี่ยวกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ค่อนข้างแตกต่างออกไป มีกรณีการวิเคราะห์ข้อผิดพลาดมากมายสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีการวิเคราะห์ เทคโนโลยีความน่าเชื่อถือ และเทคโนโลยีการคาดการณ์อายุการใช้งานก็ได้รับการพัฒนาเช่นกัน

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรอง ตามรายงาน การเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในที่เกิดจากการเติบโตของเมมเบรนบนพื้นผิวอิเล็กโทรดเป็นปัจจัยการย่อยสลายโดยทั่วไปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิ ปรากฏการณ์อื่นๆ ที่เป็นไปได้ ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกของสารออกฤทธิ์ ตลอดจนการแยกตัวที่วัสดุอิเล็กโทรดหรือส่วนต่อประสานของตัวสะสมกระแสไฟฟ้า เนื่องจากปรากฏการณ์การย่อยสลายบางอย่างเกิดจากอิเล็กโทรไลต์หรือเมมเบรน จึงจำเป็นต้องประเมินเหตุผลเหล่านี้จากการประเมินคุณลักษณะหรือโครงสร้างของวัสดุ การย่อยสลายประเภทนี้อาจอยู่ร่วมกันระหว่างรอบการปล่อยประจุ วิธีการวัดความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น ได้แก่ วิธีความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรง (DC-IR) และวิธีการต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับ เนื่องจากกรณีการวิเคราะห์ข้อผิดพลาดมีจำนวนจำกัด ความสัมพันธ์เชิงสาเหตุระหว่างปรากฏการณ์การย่อยสลายและตำแหน่งการย่อยสลายจึงยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม วิธีอิมพีแดนซ์ไฟฟ้ากระแสสลับเป็นเทคนิคที่น่าหวังในการวัดปรากฏการณ์ภายในแบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้องกับปัจจัยที่กล่าวมาข้างต้น

4. ผลกระทบของสภาพแวดล้อมการใช้งานแบตเตอรี่สำรองลิเธียมไอออนต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่

ผลกระทบต่ออุณหภูมิในการจัดเก็บ:อุณหภูมิในการจัดเก็บเป็นปัจจัยการย่อยสลายที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิ คาดว่าอุณหภูมิสภาพแวดล้อมการใช้งานภายในอาคารจะสูงถึงประมาณ 40 องศาเซลเซียส ในขณะที่แบตเตอรี่ในอุปกรณ์กลางแจ้งหรืออุปกรณ์เคลื่อนที่ต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมากขึ้น ลักษณะระยะยาวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิในปัจจุบันจะลดลงอย่างรวดเร็วที่ 40-60 องศา C ดังนั้นมาตรฐานการทดสอบเช่น JIS 8711 และ IEC 62660-1 (ใช้สำหรับการทดสอบประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เดี่ยวในยานพาหนะไฟฟ้า) กำหนดว่าอุณหภูมิทดสอบอายุการใช้งานระยะยาวควรอยู่ระหว่าง 40-45 องศาเซลเซียส เพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ แบตเตอรี่รถยนต์ได้รับการออกแบบให้มีกลไกระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิแบตเตอรี่ให้ไม่เกิน 45 องศาเซลเซียส แบตเตอรี่รถยนต์ยังคงต้องมีการ ปรับให้เข้ากับอุณหภูมิต่ำของ -20 องศา C และต่ำกว่า เนื่องจากความต้านทานภายในของแบตเตอรี่สำรองมักจะเพิ่มขึ้นและความจุจะลดลงอย่างมากที่อุณหภูมินี้ อย่างไรก็ตาม เรากำลังพัฒนาแบตเตอรี่ที่มีคุณสมบัติอุณหภูมิต่ำที่ดีเยี่ยม

ผลกระทบของอัตราการชาร์จและการคายประจุ:แบตเตอรี่รถยนต์มีอัตราการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกันระหว่างการใช้งาน และอัตราการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกันอาจส่งผลต่อกระบวนการย่อยสลายได้ IEC 62660-1 ระบุโหมดอัตราการชาร์จและการคายประจุสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ระหว่างการใช้งาน ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่เครื่องใช้ในครัวเรือนมักใช้ในสถานะชาร์จอย่างต่อเนื่อง และการรักษา SOC ที่สูงก็เป็นปัจจัยที่นำไปสู่กระบวนการย่อยสลายเช่นกัน เนื่องจากสภาวะตลาดมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ จึงจำเป็นต้องศึกษาสภาวะการทดสอบแบบเร่งที่สามารถคาดการณ์สภาพแวดล้อมของตลาดเหล่านี้ได้

5. การทดสอบอายุการใช้งานแบตเตอรี่สำรองและแบบจำลองการเร่งความเร็ว

ภาพรวมของลักษณะการทดสอบและแบบจำลองการเร่งความเร็ว:การทดสอบอายุการใช้งานแบตเตอรี่ขั้นที่สองมุ่งเน้นไปที่คุณลักษณะพื้นฐานสองประการเป็นหลัก ได้แก่ อายุการเก็บรักษา (อายุปฏิทิน) และอายุการใช้งานของวงจรการคายประจุ อายุการเก็บรักษาสัมพันธ์กับการย่อยสลายที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ใช้แบบจำลองอาร์เรเนียสเป็นแบบจำลองความเร่ง เชื่อกันว่าอายุการเก็บรักษาจะขึ้นอยู่กับการเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในที่เกิดจากการเติบโตของมาส์กหน้าบนพื้นผิวอิเล็กโทรด การเจริญเติบโตของฟิล์มเกิดจากปฏิกิริยาเคมี อุณหภูมิการทดสอบแบบเร่งจะสูงกว่าอุณหภูมิบริการ แต่อุณหภูมิสูงสุดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทุติยภูมิมักจะถูกจำกัดไว้ที่ 55-60 องศา C ซึ่งเกินกว่านั้นจะไม่สร้างผลการเร่งความเร็วเนื่องจากความก้าวหน้าของปฏิกิริยาทางเคมีที่แตกต่างกัน . วิธีการประมาณค่าโดยอาศัยการเสื่อมสภาพของอายุเชิงเส้นจะใช้สำหรับการทำนายอายุขัยในระยะยาว (เช่น กรณีที่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับรากที่สองของเวลาการแก่) อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริง จำเป็นต้องพิจารณาอายุการใช้งานของวงจรการคายประจุ และแบบจำลอง Arrhenius เพียงอย่างเดียวไม่สามารถแสดงสถานการณ์จริงได้ครบถ้วน เช่น กรณีที่อัตราส่วนของอายุการเก็บรักษาต่ออายุการใช้งานของวงจรการคายประจุคือ 9:1 และสถานการณ์ที่ อุณหภูมิในการเก็บรักษามีผลกระทบอย่างมาก นอกจากรุ่น Arrhenius แล้ว ยังมีโมเดลการเร่งความเร็วหลายแบบสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และการใช้งานและการผสมผสานจะพิจารณาจากปัจจัยการย่อยสลาย สิ่งสำคัญคือต้องระบุปัจจัยการย่อยสลาย เช่น ความชื้นและความเค้นเชิงกลซ้ำๆ เมื่อสร้างแบบจำลองการเร่งความเร็ว

ข้อจำกัดของโมเดลการเร่งความเร็วและความท้าทายในการทำนายอายุการใช้งานแบตเตอรี่:เมื่อใช้แบบจำลองการเร่งความเร็วในการทำนายชีวิต ปัจจัยจะถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็นปัจจัยหลัก ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดที่สำคัญในผลการคำนวณ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บางครั้งใช้ผลการคำนวณสามเท่าในการประเมินส่วนต่างความปลอดภัย อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ต้องการ และจำเป็นต้องมีการคาดการณ์ที่แม่นยำ ในปัจจุบัน เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างวิธีการทำนายที่กำหนดอายุการใช้งาน 10- ปี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากนักพัฒนาพยายามอย่างหนักเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพอายุการใช้งานจะเกินความต้องการของตลาด ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จึงคาดว่าจะปรับปรุงต่อไป

6. สรุป

สาเหตุของความยากลำบากในการทดสอบแบตเตอรี่สำรองแบบเร่ง

เมื่อเปรียบเทียบกับการทดสอบชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่คล้ายคลึงกัน การทดสอบแบตเตอรี่สำรองแบบเร่งในระยะยาวนั้นทำได้ยากกว่าในปัจจุบัน โดยมีสาเหตุหลักมาจากปัจจัยต่อไปนี้:

• การคาดการณ์อายุการใช้งานแบตเตอรี่มักไม่ได้ขึ้นอยู่กับการจำลองสภาพแวดล้อมที่รุนแรงขึ้นหรือการเพิ่มปัจจัยด้านความปลอดภัย เช่น ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ ซึ่งอาจเกิดจากการขาดอัตรากำไรที่เพียงพอสำหรับประสิทธิภาพอายุการใช้งานแบตเตอรี่ในปัจจุบันเมื่อเทียบกับความต้องการของตลาด
• ยังคงมีความสัมพันธ์เชิงสาเหตุที่ไม่ชัดเจนมากมายระหว่างปรากฏการณ์การย่อยสลายและปัจจัยการย่อยสลาย ซึ่งอาจเนื่องมาจากความยากในการวิเคราะห์ข้อบกพร่องของแบตเตอรี่ที่เสื่อมสภาพและกรณีจำนวนจำกัด
• เนื่องจากแบตเตอรี่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างวัสดุ และความยากลำบากในการวิเคราะห์ข้อผิดพลาดที่กล่าวถึงข้างต้น งานตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างข้อมูลความเสื่อมโทรมของตลาดยังไม่เพียงพอ