Recherche et analyse des manifestations et des facteurs de vieillissement des batteries

Qu'est-ce que le vieillissement de la batterie ?

Le vieillissement de la batterie se manifeste par la réduction continue de la capacité disponible et l'augmentation continue de l'impédance interne avec le temps, ce qui affecte l'autonomie du véhicule électrique et la réduction de la puissance de sortie. Le vieillissement de la batterie est lié à divers facteurs tels que le SOC, la température, le taux de charge et de décharge et le DOD.

Le vieillissement de la batterie est souvent associé à des réactions secondaires qui se produisent dans la batterie et qui tendent à évoluer de manière irréversible vers un état plus stable et moins énergétique. Le vieillissement de la batterie entraîne la décomposition de l'électrolyte, la perte des matériaux actifs de la cathode et de l'anode, et la perte du lithium recyclable, ce qui rend finalement la batterie incapable de répondre aux besoins réels.

Les manifestations du vieillissement des batteries

Les manifestations du vieillissement de la batterie sont les suivantes :

● Le vieillissement de l'interface anode-électrolyte :

L'interface entre l'électrolyte et l'anode est une région critique où se produisent des réactions secondaires. Bien qu'un film SEI relativement stable soit formé pendant le premier processus de charge de la batterie sur le côté négatif, la contrainte négative de la batterie change considérablement pendant le processus de charge et de décharge, ce qui entraînera la rupture et la reconstruction du SEI.

Ces deux phénomènes conduisent à un épaississement continu de la couche SEI, ce qui entraîne une perte irréversible de lithium cyclable et d'électrolyte. Outre le vieillissement causé par la reconstruction du SEI, un autre facteur important est la formation de dendrites, qui peuvent provoquer des courts-circuits dans les électrodes et entraîner des risques pour la sécurité.

● Le vieillissement de l'interface cathode-électrolyte :

Le vieillissement du côté de la cathode est également lié à des réactions de formation de films de surface et à la perte d'activité des matériaux actifs, généralement causée par des réactions secondaires entre le matériau de la cathode et l'électrolyte. En outre, les éléments de métal de transition dans le matériau de la cathode se dissolvent au cours du processus de charge et de décharge de la batterie, ce qui entraîne des changements irréversibles dans la structure cristalline et la perte de matériaux actifs, et la migration des ions de métal de transition vers la surface du SEI de l'anode augmente l'épaisseur du film SEI.

En général, le vieillissement de la batterie dans la cathode est inférieur au vieillissement de la batterie dans l'anode, mais le vieillissement de la batterie est accéléré lorsque la cathode fonctionne à une tension élevée (environ 4,5 V) dans l'anode. batterie haute tension.

● Le vieillissement calendaire et cyclique :

Le vieillissement de la batterie est généralement divisé en deux catégories : le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique. Le vieillissement calendaire fait référence au vieillissement de la batterie dans des conditions de stockage spécifiques, c'est-à-dire lorsque la batterie ne fonctionne pas. Les principaux facteurs affectant le vieillissement calendaire de la batterie sont la température de stockage et l'état de charge de la batterie.

En général, plus la température et l'état de charge sont élevés, plus le vieillissement de la batterie est important, et le vieillissement calendaire est lié à l'instabilité thermodynamique du système de la batterie. Le vieillissement cyclique est lié à l'utilisation de la batterie, y compris la profondeur de charge-décharge, le taux de charge-décharge, etc. Le vieillissement cyclique n'est pas seulement lié à la stabilité thermodynamique, mais aussi à la dynamique du système de batterie.

Modèles couramment utilisés pour étudier le vieillissement des batteries

L'interaction croisée de la température, de l'état de charge et du taux de charge et de décharge rend extrêmement difficile la création d'un modèle de prédiction de la durée de vie approprié. Les modèles actuels utilisés pour prédire le vieillissement des batteries comprennent principalement des modèles électrochimiques et mécaniques, des modèles de circuits équivalents et des modèles semi-empiriques liés aux données expérimentales.

● Modèle électrochimique-mécanique :

Le modèle électrochimique-mécanique utilise principalement des méthodes physiques pour décrire les phénomènes de vieillissement des batteries. Le modèle se concentre sur la formation de SEI et son évolution à la surface de l'anode en graphite. Les modèles électrochimiques et mécaniques, qui détaillent les processus chimiques sous-jacents, donnent de bons résultats dans la description et la prévision des phénomènes microscopiques, comme le vieillissement des anodes. Cependant, la modélisation du vieillissement global des batteries au niveau macro reste un défi de taille.

● Modèle de circuit équivalent :

Le modèle de circuit équivalent est principalement basé sur la technologie de spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) pour étudier le vieillissement des batteries. La SIE est considérée comme une technique de caractérisation non destructive qui peut être utilisée pour comprendre les processus électrochimiques dans les batteries et la manière dont ces processus chimiques évoluent dans le temps.

L'EIS peut appliquer un courant ou une tension sinusoïdale en courant alternatif sur une large gamme de fréquences (de mHz à kHz ou plus), mesurer la réponse de la tension ou du courant, respectivement, et évaluer l'impédance équivalente de la batterie. L'utilisation de circuits équivalents permet de décrire le vieillissement des batteries de manière plus générale et plus efficace, mais l'inconvénient de cette approche est qu'elle nécessite une grande quantité de données expérimentales, ce qui rend le processus d'évaluation du modèle long et laborieux.

● Modèle semi-empirique :

Le modèle semi-empirique est le plus largement utilisé dans la pratique. Le modèle semi-empirique traite la batterie comme une boîte noire, avec des essais de déverminage calendaires à différentes combinaisons de température et de SOC. Pour le test de vieillissement de la batterie, différents taux de charge/décharge ont été utilisés pour évaluer la durée de vie de la batterie, et la résistance interne de la batterie a été testée en fonction de la résistance d'impulsion.

Le modèle semi-empirique utilise le changement de tendance des données obtenues par l'expérience pour déduire le changement de la capacité de la batterie et de la résistance interne avec le temps afin de prédire le vieillissement de la batterie. Dans l'ensemble, les modèles semi-empiriques n'ont pas besoin de comprendre en détail les changements physiques et chimiques de la batterie, mais font des prévisions de durée de vie pour la batterie dans son ensemble. Dans ce cas, une grande quantité de données de base est également nécessaire.

Construction de modèles de calendrier et de vieillissement des batteries

Le vieillissement des batteries lithium-ion peut être divisé en deux catégories : le vieillissement calendaire et le vieillissement cyclique. De nombreux chercheurs ont étudié le modèle de vieillissement calendaire de la batterie en prenant pour objet de recherche la batterie lithium-ion NMC d'une capacité nominale de 63 Ah.

Les modèles montrent la durée de vie de la batterie dans différentes conditions de fonctionnement. Les performances de cyclage de la batterie étaient meilleures à 10°C et 25°C, et à mesure que la température augmentait, le vieillissement s'accélérait et le nombre de cycles diminuait. Le SOC a également un impact sur les performances de cycle de la batterie. Plus la batterie est proche du SOC 50%, moins l'impact sur la durée de vie de la batterie est important lorsque la batterie est peu chargée et peu déchargée. De même, la profondeur de décharge, le taux de charge/décharge et la durée de vie de la batterie ont un impact sur la durée de vie de la batterie. auto-décharge de la batterie ont également un impact sur la batterie.

Conclusion

Le phénomène de vieillissement des batteries au lithium-ion dépend de nombreux facteurs, dont la température, l'état de charge initial (SOC) et le taux de charge-décharge C. Une température élevée, un SOC élevé et un taux de charge-décharge élevé aggravent le vieillissement des batteries au lithium-ion. Si l'on compare les anciennes et les nouvelles batteries, l'état de charge et la tension en circuit ouvert (OCV) de l'ancienne batterie diminuent plus rapidement que ceux de la nouvelle batterie, tandis que l'OCV ne change pratiquement pas avec le vieillissement de la batterie, et que la résistance et la température de l'ancienne batterie sont plus élevées que celles de la nouvelle batterie.