Літій-іонні батареї широко використовуються в автомобілях з новою енергією завдяки їх високій щільності енергії, високій щільності потужності та низьким характеристикам саморозряду. Однак час автономної роботи навряд чи може задовольнити потреби користувачів, що обмежує подальший розвиток електромобілів. Таким чином, під час оптимізації конструкції батареї та керування нею слід враховувати механізм старіння батареї та вплив її розкладання.

З точки зору конструкції батареї: на рівні батареї необхідно вивчити механізм старіння та модель розпаду батареї, особливо ключові параметри батареї та вплив інших ключових параметрів (таких як щільність енергії та щільність потужності) на акумулятор також потрібно обговорити. Ключові параметри, зазначені тут, включають товщину, пористість, розмір частинок, розмір комірки, форму комірки тощо активних матеріалів анода та катода. Ці параметри можна оптимізувати на основі багатоцільових алгоритмів оптимізації для розробки кращих батарей. На рівні акумуляторної системи також дуже важливі механізми старіння акумулятора та моделі деградації. Вплив електричних, механічних та/або теплових факторів на термін служби батареї необхідно проаналізувати на основі механізмів старіння та моделей деградації.

З точки зору управління батареєю, механізми старіння батареї та моделі розпаду є важливими для оцінки стану батареї (під впливом минулого використання та поточних умов експлуатації) і прогнозування продуктивності.

(1) Загалом оцінка справності використаної батареї також називається оцінкою стану здоров’я (SOH). Зазвичай продуктивність батареї (наприклад, корисна ємність, корисна енергія та корисна потужність) погіршується зі старінням батареї. Тому BMS (система керування батареєю) повинна оцінити SOH батареї відповідно до механізму старіння батареї та моделі розпаду батареї. Цей результат має важливе довідкове значення для інших алгоритмів оцінки в BMS. Згідно з результатами SOH, батарею можна використовувати розумно без зловживання та нещасних випадків.
(2) Загалом, оптимізація поточного робочого стану означає оцінку SOP (State of Power) і керування температурою. Звичайно, різні умови експлуатації по-різному впливають на майбутній термін служби акумулятора. Таким чином, на основі механізму старіння за різних умов роботи та відповідної моделі погіршення якості батареї BMS може передбачити пошкодження батареї за різних умов роботи. Потім на основі аналізу терміну служби та продуктивності батареї, використовуючи онлайн-метод оптимізації, BMS може координувати стан заряду-розряду та температуру батареї.
(3) Зазвичай передбачення майбутньої ефективності означає передбачення RUL (залишкового терміну корисного використання). RUL є дуже корисним для керування акумуляторами в режимі онлайн, оцінки вживаних автомобілів і каскадного використання акумуляторів, особливо для оцінки залишкової вартості акумуляторів. Враховуючи нелінійні характеристики згасання батарей, традиційні методи екстраполяції не можуть точно передбачити термін служби батарей, що залишився. Необхідно досягти надійних прогнозів на основі основних механізмів старіння різних станів розпаду за різних умов експлуатації та відповідних моделей терміну служби батареї.

З точки зору системи можна побачити, що для вирішення серії проблем проектування та управління акумуляторами, пов’язаних зі старінням акумулятора, необхідно переглянути, узагальнити та проаналізувати поточний статус досліджень старіння акумулятора, включаючи фактори впливу, механізми старіння , моделі старіння та методи діагностики. Однак існуючі оглядові статті зосереджені переважно на типовому моменті.

Життєвий цикл батареї включає проектування батареї, виробництво, використання електромобіля та вторинне використання. Погіршення продуктивності акумулятора слід враховувати на перших етапах проектування акумулятора. На різних етапах явище розпаду та внутрішній механізм старіння батареї можуть дуже відрізнятися.

У цьому документі представлено комплексний огляд ключових проблем погіршення якості батареї з точки зору системи, включаючи наступні аспекти: внутрішній механізм старіння батареї та зовнішні характеристики, аналіз факторів, що впливають на термін служби батареї з точки зору дизайну, виробництва та застосування, модель погіршення якості батареї, Механізми та моделі старіння акумуляторів.

Як правило, аналіз старіння батареї слід проводити з кількох аспектів, таких як фактори впливу, внутрішні побічні реакції, режими старіння та зовнішні впливи, як показано на малюнку 3. Найбільш інтуїтивно зрозумілими зовнішніми ознаками згасання батареї є зменшення ємності та/або потужності зникають. Наразі більшість документів все ще зосереджуються на цих двох моментах для дослідження та моделювання старіння акумулятора. Як правило, ослаблення потужності важче вивчити, і його замінюють дослідженням внутрішнього опору.

Що стосується режиму розпаду батареї, для керування батареєю та онлайн-діагностики механізм старіння батареї можна підсумувати як: втрати літій-іонного накопичувача (LLI) і втрати активного матеріалу анода/катода (LAM). Двоблокова модель може описати відповідний механізм старіння. Взагалі кажучи, процес заряду-розряду батареї нерозривно пов’язаний із введенням і відшаруванням іонів літію на позитивних і негативних активних матеріалах. Тому ємність акумулятора безпосередньо визначається кількістю активного матеріалу та кількістю доступних іонів літію. Активний матеріал схожий на резервуар для води, а іони літію схожі на воду в резервуарі, як показано на малюнку 4. Таким чином, основними механізмами старіння для літій-іонних батарей є LAM (що схоже на зміни в самому баку) і LLI (що схоже на втрату води в баку). Крім того, режим розпаду акумулятора також включає збільшення внутрішнього опору (RI) і втрату електроліту (LE). Збільшення внутрішнього опору безпосередньо призведе до ослаблення потужності батареї, і доступна ємність батареї також зменшиться. Втрата електроліту також є дуже важливим способом розпаду. Невелика втрата електроліту мало впливає на роботу батареї, тоді як надмірна втрата електроліту може безпосередньо призвести до раптового падіння ємності. Збільшення внутрішнього опору безпосередньо призведе до ослаблення потужності батареї, і доступна ємність батареї також зменшиться. Втрата електроліту також є дуже важливим способом розпаду. Невелика втрата електроліту мало впливає на роботу батареї, тоді як надмірна втрата електроліту може безпосередньо призвести до раптового падіння ємності. Збільшення внутрішнього опору безпосередньо призведе до ослаблення потужності батареї, і доступна ємність батареї також зменшиться. Втрата електроліту також є дуже важливим способом розпаду. Невелика втрата електроліту мало впливає на роботу батареї, тоді як надмірна втрата електроліту може безпосередньо призвести до раптового падіння ємності.

Всередині акумулятора ці режими розпаду викликані деякими внутрішніми фізичними або хімічними побічними ефектами, а побічні ефекти, пов’язані зі старінням, дуже складні. LAM може бути спричинений такими факторами: відшарування графіту; розчинення металів і розкладання електроліту; активна втрата контакту матеріалу внаслідок корозії струмоприймача та розкладання зв'язуючого. Утворення LLI може бути пов’язане з утворенням плівки SEI (інтерфейс твердого електроліту) та безперервним потовщенням, утворенням CEI (інтерфейсу катодного електроліту), осадженням іонів літію та іншими факторами. Утворення LE може бути наслідком споживання електроліту, викликаного побічними реакціями, такими як потовщення плівки SEI та розкладання електроліту, викликане високим потенціалом. Тоді як RI може бути спричинено утворенням і продовженням потовщення SEI та LE тощо.

Результати показують, що існує багато факторів, які впливають на побічні реакції всередині батареї, включаючи конструкцію батареї, виробництво та умови роботи. Ці фактори впливатимуть на швидкість побічних реакцій всередині батареї, тим самим впливаючи на характеристики служби батареї.