Akumulatory litowo-jonowe są szeroko stosowane w nowych pojazdach energetycznych ze względu na ich wysoką gęstość energii, wysoką gęstość mocy i niskie właściwości samorozładowania. Jednak żywotność baterii z trudem zaspokaja potrzeby użytkowników, ograniczając dalszy rozwój pojazdów elektrycznych. Dlatego przy optymalizacji konstrukcji i zarządzania baterią należy wziąć pod uwagę mechanizm starzenia się baterii i efekt jej degradacji.

Z perspektywy konstrukcji akumulatora: na poziomie akumulatora należy zbadać mechanizm starzenia i model zaniku akumulatora, w szczególności kluczowe parametry akumulatora i wpływ innych kluczowych parametrów (takich jak gęstość energii i gęstość mocy) na należy również omówić baterię. Kluczowe parametry odnotowane tutaj obejmują grubość, porowatość, wielkość cząstek, wielkość komórki, kształt komórki itp. materiałów aktywnych anody i katody. Parametry te można zoptymalizować w oparciu o wielokryterialne algorytmy optymalizacji w celu zaprojektowania lepszych akumulatorów. Na poziomie systemu baterii bardzo ważne są również mechanizmy starzenia się baterii i modele degradacji. Wpływ czynników elektrycznych, mechanicznych i/lub termicznych na żywotność baterii należy przeanalizować na podstawie mechanizmów starzenia i modeli degradacji.

Z perspektywy zarządzania baterią mechanizmy starzenia się baterii i modele degradacji są ważne dla oceny stanu baterii (na którą ma wpływ przeszłe użytkowanie i bieżące warunki pracy) oraz przewidywania wydajności.

(1) Ogólnie rzecz biorąc, szacowanie kondycji zużytej baterii jest również nazywane State Health Assessment (SOH). Zazwyczaj wydajność baterii (taka jak pojemność użytkowa, energia użytkowa i moc użytkowa) spada wraz z wiekiem baterii. Dlatego BMS (system zarządzania baterią) musi oszacować SOH baterii zgodnie z mechanizmem starzenia się baterii i modelem zaniku baterii. Wynik ten ma ważną wartość odniesienia dla innych algorytmów estymacji w BMS. Zgodnie z wynikami SOH bateria może być rozsądnie używana bez nadużyć i wypadków związanych z bezpieczeństwem.
(2) Ogólnie rzecz biorąc, optymalizacja bieżącego stanu pracy oznacza ocenę SOP (stanu mocy) i zarządzanie temperaturą. Oczywiście różne warunki pracy mają różny wpływ na przyszłą żywotność akumulatora. Dlatego w oparciu o mechanizm starzenia się w różnych warunkach pracy i odpowiedni model degradacji baterii, BMS może przewidzieć uszkodzenie baterii w różnych warunkach pracy. Następnie, w oparciu o analizę żywotności i wydajności akumulatora, przy użyciu metody optymalizacji online, BMS może koordynować stan naładowania-rozładowania i temperaturę akumulatora.
(3) Zazwyczaj przewidywanie przyszłych wyników oznacza przewidywanie RUL (Remaining Useful Life). RUL jest bardzo przydatny do zarządzania akumulatorami on-line, oceny używanych samochodów i kaskadowego użytkowania akumulatorów, zwłaszcza oceny wartości rezydualnej akumulatorów. Biorąc pod uwagę nieliniową charakterystykę zanikania baterii, tradycyjne metody ekstrapolacji nie mogą dokładnie przewidzieć pozostałej żywotności baterii. Niezbędne jest uzyskanie wiarygodnych prognoz opartych na głównych mechanizmach starzenia się różnych stanów zaniku w różnych warunkach pracy i odpowiadających im modelach żywotności baterii.

Z perspektywy systemu widać, że aby rozwiązać szereg problemów związanych z projektowaniem i zarządzaniem bateriami związanymi ze starzeniem się baterii, konieczne jest dokonanie przeglądu, podsumowania i analizy aktualnego stanu badań nad starzeniem się baterii, w tym czynników wpływających, mechanizmów starzenia , modele starzenia się i metody diagnostyczne. Jednak istniejące prace przeglądowe skupiają się głównie na typowym punkcie.

Cykl życia baterii obejmuje projekt baterii, produkcję, zastosowanie w pojazdach elektrycznych i wtórne wykorzystanie. Pogorszenie wydajności baterii należy wziąć pod uwagę na najwcześniejszych etapach projektowania baterii. Na różnych etapach zjawisko gnicia i wewnętrzny mechanizm starzenia się baterii mogą być bardzo różne.

Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd kluczowych zagadnień degradacji baterii z perspektywy systemowej, z uwzględnieniem następujących aspektów: wewnętrzny mechanizm starzenia baterii i cechy zewnętrzne, analiza czynników wpływających na żywotność baterii z perspektywy projektowania, produkcji i zastosowania, model degradacji baterii, Mechanizmy i modele starzenia się baterii.

Ogólnie rzecz biorąc, analizę starzenia się baterii należy przeprowadzić z uwzględnieniem kilku aspektów, takich jak czynniki wpływające, wewnętrzne reakcje uboczne, tryby starzenia i wpływy zewnętrzne, jak pokazano na rysunku 3. Najbardziej intuicyjne zewnętrzne cechy zanikania baterii to spadek pojemności i/lub moc znikać. Obecnie większość artykułów nadal koncentruje się na tych dwóch punktach, aby przeprowadzić badania i modelowanie starzenia się baterii. Zazwyczaj tłumienie mocy jest trudniejsze do zbadania i jest zastępowane badaniem impedancji wewnętrznej.

Jeśli chodzi o tryb rozładowania baterii, zarządzanie baterią i diagnostykę online, mechanizm starzenia się baterii można podsumować jako: utratę zawartości litowo-jonowej (LLI) i utratę aktywnego materiału anody/katody (LAM). Model dwuczęściowy może opisywać odpowiedni mechanizm starzenia. Ogólnie rzecz biorąc, proces ładowania i rozładowywania baterii jest nierozerwalnie związany z wstawianiem i delaminacją jonów litu na dodatnich i ujemnych materiałach aktywnych. Dlatego pojemność baterii zależy bezpośrednio od ilości materiału aktywnego i liczby dostępnych jonów litu. Aktywny materiał jest jak zbiornik na wodę, a jony litu są jak woda w zbiorniku, jak pokazano na rysunku 4. Tak więc głównymi mechanizmami starzenia akumulatorów litowo-jonowych są LAM (co jest jak zmiany w samym zbiorniku) i LLI (co jest jak utrata wody w zbiorniku). Ponadto tryb zaniku baterii obejmuje również wzrost rezystancji wewnętrznej (RI) i utratę elektrolitu (LE). Wzrost rezystancji wewnętrznej będzie bezpośrednio prowadzić do osłabienia mocy baterii, a dostępna pojemność baterii również się zmniejszy. Utrata elektrolitu jest również bardzo ważnym sposobem rozpadu. Niewielka utrata elektrolitu ma niewielki wpływ na wydajność akumulatora, natomiast nadmierna utrata elektrolitu może bezpośrednio prowadzić do nagłego spadku pojemności. Wzrost rezystancji wewnętrznej będzie bezpośrednio prowadzić do osłabienia mocy baterii, a dostępna pojemność baterii również się zmniejszy. Utrata elektrolitu jest również bardzo ważnym sposobem rozpadu. Niewielka utrata elektrolitu ma niewielki wpływ na wydajność akumulatora, natomiast nadmierna utrata elektrolitu może bezpośrednio prowadzić do nagłego spadku pojemności. Wzrost rezystancji wewnętrznej będzie bezpośrednio prowadzić do osłabienia mocy baterii, a dostępna pojemność baterii również się zmniejszy. Utrata elektrolitu jest również bardzo ważnym sposobem rozpadu. Niewielka utrata elektrolitu ma niewielki wpływ na wydajność akumulatora, natomiast nadmierna utrata elektrolitu może bezpośrednio prowadzić do nagłego spadku pojemności.

Wewnątrz baterii te tryby rozpadu są spowodowane pewnymi wewnętrznymi fizycznymi lub chemicznymi skutkami ubocznymi, a skutki uboczne związane ze starzeniem się są bardzo złożone. LAM może być spowodowany przez następujące czynniki: złuszczanie grafitu; rozpuszczanie metali i rozkład elektrolitów; utrata kontaktu materiału aktywnego z powodu korozji kolektora prądu i rozkładu spoiwa. Powstawanie LLI może być związane z tworzeniem filmu SEI (interfejs elektrolitu stałego) i ciągłym zagęszczaniem, tworzeniem CEI (interfejs elektrolitu katody), osadzaniem się jonów litu i innymi czynnikami. Tworzenie się LE może być spowodowane zużyciem elektrolitu spowodowanym reakcjami ubocznymi, takimi jak pogrubienie warstwy SEI i rozkład elektrolitu wywołany wysokim potencjałem. Natomiast RI może być spowodowane powstawaniem i ciągłym pogrubieniem SEI i LE itp.

Wyniki pokazują, że istnieje wiele czynników, które wpływają na reakcje uboczne wewnątrz akumulatora, w tym konstrukcja akumulatora, produkcja i warunki pracy. Czynniki te wpływają na szybkość reakcji ubocznych wewnątrz baterii, wpływając tym samym na charakterystykę żywotności baterii.