tác dụng của việc sử dụng pin lithium-ion đối với chúng ta là gì
2022.Jun
14
Pin Lithium-ion được sử dụng rộng rãi trên các phương tiện năng lượng mới do mật độ năng lượng cao, mật độ năng lượng cao và đặc tính tự phóng điện thấp. Tuy nhiên, thời lượng pin khó có thể đáp ứng được nhu cầu của người dùng, hạn chế sự phát triển hơn nữa của xe điện. Do đó, cơ chế lão hóa của pin và ảnh hưởng của việc phân rã pin cần được xem xét khi tối ưu hóa thiết kế và quản lý pin.
Từ góc độ thiết kế pin: Ở cấp độ pin, cơ chế lão hóa và mô hình phân hủy của pin cần được nghiên cứu, đặc biệt là các thông số chính của pin và tác động của các thông số quan trọng khác (như mật độ năng lượng và mật độ năng lượng) đối với pin cũng cần được thảo luận. Các thông số quan trọng được lưu ý ở đây bao gồm độ dày, độ xốp, kích thước hạt, kích thước tế bào, hình dạng tế bào, v.v. của vật liệu hoạt động cực dương và cực âm. Các thông số này có thể được tối ưu hóa dựa trên các thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu để thiết kế pin tốt hơn. Ở cấp độ hệ thống pin, các cơ chế lão hóa pin và mô hình xuống cấp cũng rất quan trọng. Tác động của các yếu tố điện, cơ và / hoặc nhiệt đến tuổi thọ của pin cần được phân tích dựa trên các cơ chế lão hóa và mô hình xuống cấp.
Từ góc độ quản lý pin, cơ chế lão hóa pin và mô hình phân rã rất quan trọng để đánh giá tình trạng pin (bị ảnh hưởng bởi việc sử dụng trong quá khứ và điều kiện hoạt động hiện tại) và dự đoán hiệu suất.
(1) Nói chung, ước tính tình trạng pin đã qua sử dụng còn được gọi là Đánh giá Sức khỏe Tiểu bang (SOH). Thông thường, hiệu suất của pin (chẳng hạn như dung lượng có thể sử dụng, năng lượng có thể sử dụng và công suất có thể sử dụng) suy giảm theo tuổi của pin. Do đó, BMS (hệ thống quản lý pin) cần ước tính SOH của pin theo cơ chế lão hóa của pin và mô hình phân rã của pin. Kết quả này có giá trị tham khảo quan trọng cho các thuật toán ước lượng khác trong BMS. Theo kết quả của SOH, pin có thể được sử dụng hợp lý mà không bị lạm dụng và không xảy ra tai nạn an toàn.
(2) Nói chung, tối ưu hóa trạng thái hoạt động hiện tại có nghĩa là đánh giá SOP (State of Power) và quản lý nhiệt. Tất nhiên, các điều kiện hoạt động khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến tuổi thọ sử dụng pin trong tương lai. Do đó, dựa trên cơ chế lão hóa trong các điều kiện làm việc khác nhau và mô hình suy giảm pin tương ứng, BMS có thể dự đoán mức độ hư hỏng của pin trong các điều kiện làm việc khác nhau. Sau đó, dựa trên phân tích tuổi thọ và hiệu suất của pin, sử dụng phương pháp tối ưu hóa trực tuyến, BMS có thể điều phối trạng thái sạc-xả và nhiệt độ của pin.
(3) Thông thường, dự đoán về hiệu suất trong tương lai có nghĩa là dự đoán về RUL (Vòng đời hữu ích còn lại). RUL rất hữu ích cho việc quản lý trực tuyến của ắc quy, đánh giá xe ô tô đã qua sử dụng và quá trình sử dụng ắc quy, đặc biệt là đánh giá giá trị còn lại của ắc quy. Xem xét các đặc tính mờ dần không tuyến tính của pin, các phương pháp ngoại suy truyền thống không thể dự đoán chính xác tuổi thọ còn lại của pin. Cần phải đạt được các dự đoán đáng tin cậy dựa trên các cơ chế lão hóa chính của các trạng thái phân rã khác nhau trong các điều kiện hoạt động khác nhau và các mô hình tuổi thọ pin tương ứng.
Từ góc độ hệ thống, có thể thấy, để giải quyết hàng loạt bài toán thiết kế và quản lý pin liên quan đến lão hóa pin, cần rà soát, tổng kết và phân tích nghiên cứu hiện trạng lão hóa pin, bao gồm các yếu tố ảnh hưởng, cơ chế lão hóa. , mô hình lão hóa và phương pháp chẩn đoán. Tuy nhiên, các báo cáo đánh giá hiện có chủ yếu tập trung vào một điểm tiêu biểu.
Vòng đời của pin bao gồm thiết kế pin, sản xuất, ứng dụng EV và sử dụng thứ cấp. Sự suy giảm hiệu suất của pin nên được xem xét trong các bước thiết kế pin sớm nhất. Ở các giai đoạn khác nhau, hiện tượng phân rã và cơ chế lão hóa bên trong của pin có thể rất khác nhau.
Bài báo này cung cấp một đánh giá toàn diện về các vấn đề chính của sự suy giảm pin từ góc độ hệ thống, bao gồm các khía cạnh sau: cơ chế lão hóa bên trong pin và các đặc điểm bên ngoài, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ pin từ góc độ thiết kế, sản xuất và ứng dụng, mô hình suy giảm pin, Các cơ chế và mô hình lão hóa pin.
Nói chung, phân tích độ lão hóa của pin nên được thực hiện từ một số khía cạnh như các yếu tố ảnh hưởng, phản ứng bên trong, chế độ lão hóa và các tác động bên ngoài, như trong Hình 3. Các đặc điểm bên ngoài trực quan nhất của hiện tượng phai pin là giảm dung lượng và / hoặc nguồn. phai màu. Hiện tại, hầu hết các bài báo vẫn tập trung vào hai điểm này để nghiên cứu và mô hình hóa sự lão hóa của pin. Thông thường, công suất suy giảm khó nghiên cứu hơn và được thay thế bằng nghiên cứu trở kháng bên trong.
Về chế độ phân rã của pin, để quản lý pin và chẩn đoán trực tuyến, cơ chế lão hóa của pin có thể được tóm tắt là: Mất bộ nhớ lưu trữ Lithium-ion (LLI) và mất vật liệu hoạt động anốt / catốt (LAM). Mô hình hai hộp có thể mô tả cơ chế lão hóa tương ứng. Nói chung, quá trình sạc-xả của pin về bản chất liên quan đến việc chèn và phân tách các ion lithium trên các vật liệu hoạt động tích cực và tiêu cực. Do đó, dung lượng pin được xác định trực tiếp bởi lượng vật liệu hoạt động và số lượng ion lithium có sẵn. Vật liệu hoạt động giống như một bể nước, và các ion liti giống như nước trong bể, như trong Hình 4. Vì vậy, các cơ chế lão hóa chính của pin Li-ion là LAM (giống như những thay đổi trong chính bình) và LLI (giống như mất nước trong bình). Ngoài ra, chế độ phân rã của pin còn bao gồm tăng điện trở bên trong (RI) và tổn thất chất điện phân (LE). Việc tăng điện trở bên trong sẽ trực tiếp dẫn đến sự suy giảm công suất của pin và dung lượng khả dụng của pin cũng sẽ giảm theo. Mất chất điện phân cũng là một phương thức phân rã rất quan trọng. Một lượng nhỏ chất điện phân bị mất ít ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, trong khi sự mất mát quá mức chất điện phân có thể trực tiếp dẫn đến giảm dung lượng đột ngột. Việc tăng điện trở bên trong sẽ trực tiếp dẫn đến sự suy giảm công suất của pin và dung lượng khả dụng của pin cũng sẽ giảm theo. Mất chất điện phân cũng là một phương thức phân rã rất quan trọng. Một lượng nhỏ chất điện phân bị mất ít ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, trong khi sự mất mát quá mức chất điện phân có thể trực tiếp dẫn đến giảm dung lượng đột ngột. Việc tăng điện trở bên trong sẽ trực tiếp dẫn đến sự suy giảm công suất của pin và dung lượng khả dụng của pin cũng sẽ giảm theo. Mất chất điện phân cũng là một phương thức phân rã rất quan trọng. Một lượng nhỏ chất điện phân bị mất ít ảnh hưởng đến hiệu suất của pin, trong khi sự mất mát quá mức chất điện phân có thể trực tiếp dẫn đến giảm dung lượng đột ngột.
Bên trong pin, các chế độ phân hủy này là do một số tác dụng phụ vật lý hoặc hóa học bên trong gây ra, và các tác dụng phụ liên quan đến lão hóa rất phức tạp. LAM có thể do các yếu tố này gây ra: tẩy da chết bằng than chì; sự hòa tan kim loại và sự phân hủy chất điện ly; vật liệu hoạt động mất tiếp xúc do ăn mòn bộ thu dòng và phân hủy chất kết dính. Sự hình thành LLI có thể liên quan đến sự hình thành màng SEI (bề mặt điện phân rắn) và dày lên liên tục, sự hình thành CEI (bề mặt điện phân cực âm), sự lắng đọng ion lithium và các yếu tố khác. Sự hình thành LE có thể là do tiêu thụ chất điện giải gây ra bởi các phản ứng phụ như dày màng SEI và phân hủy chất điện phân gây ra tiềm năng cao. Trong khi đó, RI có thể do sự hình thành và liên tục dày lên của SEI và LE, v.v.
Kết quả cho thấy có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến các phản ứng phụ bên trong pin, bao gồm thiết kế, sản xuất và điều kiện làm việc của pin. Những yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng phụ bên trong pin, từ đó ảnh hưởng đến đặc tính tuổi thọ của pin.