अमूर्त
इलेक्ट्रिक वाहनों और प्लग-इन हाइब्रिड वाहनों के बढ़ने के साथ, माध्यमिक बैटरियों का लक्ष्य सेवा जीवन कम से कम 10 वर्ष है, और भविष्य में ऐसे वाहनों के व्यापक रूप से लोकप्रिय होने की उम्मीद है। गैर पोर्टेबल बैटरियों की भी लंबे समय तक सेवा जीवन की मांग होती है, जो माध्यमिक बैटरियों के त्वरण परीक्षण को अत्यधिक प्रत्याशित बनाती है। यह आलेख अर्धचालकों, इलेक्ट्रॉनिक घटकों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के त्वरण परीक्षण की तुलना करता है, और लिथियम-आयन माध्यमिक बैटरी के लिए त्वरण परीक्षण की वर्तमान स्थिति और समस्याओं पर विस्तार से बताता है।
1 परिचय
लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों के अनुसंधान और विनिर्माण ने प्रदर्शन में सुधार की दिशा में तेजी से प्रगति की है। हालाँकि सुरक्षा सुनिश्चित करना लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों के लिए सबसे महत्वपूर्ण मुद्दा है, इलेक्ट्रिक वाहनों और प्लग-इन हाइब्रिड वाहनों (एक बढ़ता और उच्च प्रत्याशित बाजार) में उपयोग की जाने वाली लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों का लक्ष्य जीवनकाल 10 से 15 वर्ष है। गैर पोर्टेबल बैटरियों के लिए, न्यूनतम 6 वर्ष का सेवा जीवन आवश्यक है। ये मांगें आने वाले वर्षों में त्वरित परीक्षण पर उम्मीदें बढ़ाएंगी। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉनिक घटकों और उपकरणों के त्वरित परीक्षण के क्षेत्र में, सेमीकंडक्टर/सोल्डर बॉन्डिंग और मुद्रित सर्किट बोर्ड इन्सुलेशन जैसे मापदंडों के क्षरण तंत्र और त्वरण कारकों को स्पष्ट करने से जीवन भविष्यवाणी तकनीक को आगे बढ़ाने में मदद मिल सकती है। इलेक्ट्रॉनिक घटकों और उपकरणों के विपरीत, माध्यमिक बैटरियों में गिरावट/जीवन भविष्यवाणी और त्वरण परीक्षण के लिए पर्याप्त उदाहरण और सिस्टम सिद्धांतों का अभाव है। यह लेख अर्धचालकों, इलेक्ट्रॉनिक घटकों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के त्वरित परीक्षण के साथ तुलना करके लिथियम-आयन माध्यमिक बैटरियों के त्वरित परीक्षण की वर्तमान स्थिति और समस्याओं का वर्णन करता है।
2. अधोगति की परिभाषा
जेआईएस सी 8711 (पोर्टेबल उपकरणों के लिए लिथियम सेकेंडरी बैटरियों को कवर करना) सेकेंडरी बैटरी जीवन मूल्यांकन का एक उदाहरण प्रदान करता है, जहां बैटरी जीवन समाप्ति को उस समय के रूप में परिभाषित किया जाता है जब चार्ज और डिस्चार्ज चक्र के दौरान क्षमता प्रारंभिक क्षमता के 60% तक गिर जाती है। पूर्व निर्धारित विधि द्वारा चार्ज किए जाने के बाद स्थिर तापमान पर संग्रहीत बैटरियों के क्षरण के लिए, एकल कोशिकाओं के लिए 70% और बैटरी पैक के लिए 60% के मान भी परिभाषित किए गए हैं। निर्माताओं के गिरावट मूल्यांकन मानक आमतौर पर इन मूल्यों से अधिक सख्त होते हैं, जैसे कि 80% जैसे मूल्यों का उपयोग करना। इस तथ्य के कारण कि लंबी अवधि के भंडारण के दौरान बैटरियों की गिरावट दर उनके चार्ज की स्थिति (एसओसी) के समानुपाती होती है, माध्यमिक बैटरियों को उपयोग के माहौल से मेल खाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जो उन्हें कम एसओसी बनाए रखने और दीर्घकालिक उपयोग का सामना करने में सक्षम बनाता है। जब तक बैटरी का क्षरण मान निर्धारित मानकों के अनुरूप होता है, तब तक इसे सामान्य रूप से काम करना माना जाता है। सामान्य दृष्टिकोण यह है कि बैटरियां उपभोग्य हैं और उनकी क्षमता अनिवार्य रूप से कम हो जाती है। चित्र 1 लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरी का एक उदाहरण डिस्चार्ज वक्र दिखाता है।
3. ह्रास कारक और तंत्र
लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों के प्रत्येक घटक में कई गिरावट कारक होते हैं, और उन्हें आसानी से वर्गीकृत करना मुश्किल है। इस कठिनाई का संभावित कारण यह है कि दोष विश्लेषण के कुछ मामले हैं, क्योंकि बैटरी की आंतरिक स्थिति को प्रभावित किए बिना उसे अलग करना मुश्किल है, और विशिष्ट गिरावट तंत्र और बैटरी जीवन के बीच संबंध हमेशा स्पष्ट नहीं होता है। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की स्थिति काफी अलग है। इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए कई दोष विश्लेषण मामले हैं, और विश्लेषण तकनीक में सुधार के साथ, विश्वसनीयता तकनीक और जीवन भविष्यवाणी तकनीक भी विकसित की गई है।
चित्र 2 लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरी की संरचना को दर्शाता है। रिपोर्टों के अनुसार, इलेक्ट्रोड सतह पर झिल्लियों की वृद्धि के कारण आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि लिथियम-आयन माध्यमिक बैटरियों का एक विशिष्ट क्षरण कारक है। अन्य संभावित घटनाओं में सक्रिय पदार्थ की क्रिस्टल संरचना में परिवर्तन, साथ ही इलेक्ट्रोड सामग्री या वर्तमान कलेक्टर इंटरफ़ेस पर प्रदूषण शामिल है। इलेक्ट्रोलाइट्स या झिल्लियों के कारण होने वाली कुछ गिरावट की घटनाओं के कारण, विशिष्ट मूल्यांकन या सामग्री संरचनाओं से इन कारणों का अनुमान लगाना आवश्यक है। चार्ज डिस्चार्ज चक्र के दौरान इस प्रकार की गिरावट एक साथ मौजूद हो सकती है। आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि को मापने के तरीकों में प्रत्यक्ष वर्तमान प्रतिरोध विधि (डीसी-आईआर) और प्रत्यावर्ती धारा प्रतिबाधा विधि शामिल हैं। दोष विश्लेषण मामलों की सीमित संख्या के कारण, गिरावट की घटनाओं और गिरावट स्थलों के बीच कारण संबंध अभी भी अस्पष्ट है। हालाँकि, उपरोक्त कारकों से संबंधित आंतरिक बैटरी घटना को मापने के लिए एसी प्रतिबाधा विधि एक आशाजनक तकनीक है।
4. बैटरी जीवन पर लिथियम-आयन माध्यमिक बैटरी उपयोग वातावरण का प्रभाव
भंडारण तापमान पर प्रभाव:लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों के लिए भंडारण तापमान एक महत्वपूर्ण गिरावट कारक है। घर के अंदर उपयोग के वातावरण का तापमान अधिकतम 40 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने की उम्मीद है, जबकि बाहरी या मोबाइल उपकरणों में बैटरियों को अधिक कठोर वातावरण का सामना करना पड़ता है। मौजूदा लिथियम-आयन सेकेंडरी बैटरियों की दीर्घकालिक विशेषताएं 40-60 डिग्री सेल्सियस पर तेजी से ख़राब हो जाती हैं। इसलिए, JIS 8711 और IEC 62660-1 जैसे परीक्षण मानक (इलेक्ट्रिक वाहनों में एकल बैटरियों के प्रदर्शन परीक्षण के लिए उपयोग किए जाते हैं) निर्धारित करें कि दीर्घकालिक जीवन परीक्षण तापमान 40-45 डिग्री सेल्सियस के बीच होना चाहिए। बैटरी जीवन का विस्तार करने के लिए, वाहन बैटरियों को शीतलन तंत्र के साथ डिज़ाइन किया गया है ताकि बैटरी का तापमान 45 डिग्री सेल्सियस से अधिक न रहे। वाहन बैटरियों को अभी भी इसकी आवश्यकता है के कम तापमान के अनुकूल -20 डिग्री सेल्सियस और नीचे, क्योंकि माध्यमिक बैटरियों का आंतरिक प्रतिरोध आमतौर पर बढ़ जाता है और इस तापमान पर क्षमता काफी कम हो जाती है। हालाँकि, हम वर्तमान में उत्कृष्ट निम्न-तापमान विशेषताओं वाली बैटरियाँ विकसित कर रहे हैं।
चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दरों का प्रभाव:उपयोग के दौरान वाहन बैटरियों की चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दरें अलग-अलग होती हैं, और चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दरों में अंतर गिरावट की प्रक्रिया को प्रभावित कर सकता है। IEC 62660-1 उपयोग के दौरान वाहन बैटरियों के लिए चार्जिंग और डिस्चार्जिंग दर मोड निर्दिष्ट करता है। इसके विपरीत, घरेलू उपकरण बैटरियों का उपयोग अक्सर लगातार चार्ज अवस्था में किया जाता है, और उच्च एसओसी बनाए रखना भी एक ऐसा कारक है जो क्षरण प्रक्रिया की ओर ले जाता है। बैटरी जीवन पर बाज़ार स्थितियों के महत्वपूर्ण प्रभाव के कारण, त्वरित परीक्षण स्थितियों का अध्ययन करना आवश्यक है जो इन बाज़ार परिवेशों का अनुमान लगा सकें।
5. माध्यमिक बैटरी जीवन परीक्षण और त्वरण मॉडल
परीक्षण विशेषताओं और त्वरण मॉडल का अवलोकन:माध्यमिक बैटरी जीवन परीक्षण मुख्य रूप से दो बुनियादी विशेषताओं पर केंद्रित है: भंडारण जीवन (कैलेंडर जीवन) और चार्ज डिस्चार्ज चक्र जीवन। भंडारण जीवन तापमान संबंधी गिरावट से संबंधित है। अरहेनियस मॉडल का उपयोग त्वरण मॉडल के रूप में किया जाता है। ऐसा माना जाता है कि भंडारण जीवन इलेक्ट्रोड सतह पर फेशियल मास्क की वृद्धि के कारण होने वाले आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि से निर्धारित होता है। फिल्म का विकास रासायनिक प्रतिक्रिया के कारण होता है। त्वरित परीक्षण तापमान सेवा तापमान से अधिक है, लेकिन लिथियम आयन माध्यमिक बैटरी का अधिकतम तापमान आमतौर पर 55-60 डिग्री सेल्सियस तक सीमित होता है, जिसके आगे विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाओं की प्रगति के कारण त्वरण प्रभाव उत्पन्न नहीं होगा . रेखीय उम्र बढ़ने की गिरावट पर आधारित एक्सट्रपलेशन विधि का उपयोग दीर्घकालिक जीवन भविष्यवाणी के लिए किया जाता है (जैसे कि उम्र बढ़ने के समय के वर्गमूल के साथ रैखिक संबंध के मामले में)। हालाँकि, व्यावहारिक उपयोग में, चार्ज डिस्चार्ज चक्र जीवन पर विचार करने की आवश्यकता है, और अरहेनियस मॉडल अकेले वास्तविक स्थिति को पूरी तरह से व्यक्त नहीं कर सकता है, जैसे कि ऐसे मामले जहां भंडारण जीवन और चार्ज डिस्चार्ज चक्र जीवन का अनुपात 9:1 है, और ऐसी स्थितियाँ जहां भंडारण तापमान का महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। अरहेनियस मॉडल के अलावा, इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए विभिन्न त्वरण मॉडल हैं, और उनका उपयोग और संयोजन गिरावट कारकों द्वारा निर्धारित किया जाता है। त्वरण मॉडल बनाते समय नमी और बार-बार यांत्रिक तनाव जैसे गिरावट कारकों की पहचान करना महत्वपूर्ण है।
त्वरण मॉडल की सीमाएँ और बैटरी जीवन की भविष्यवाणी में चुनौतियाँ:जीवन की भविष्यवाणी के लिए त्वरण मॉडल का उपयोग करते समय, कारकों को मुख्य कारकों के रूप में सरलीकृत किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप गणना परिणामों में महत्वपूर्ण त्रुटियां होती हैं। इलेक्ट्रॉनिक घटक कभी-कभी सुरक्षा मार्जिन मूल्यांकन के रूप में ट्रिपल गणना परिणामों का उपयोग करते हैं। हालाँकि, बैटरी उत्पादों का प्रदर्शन आवश्यक बैटरी जीवन मार्जिन की तुलना में अपेक्षाकृत छोटा है, और सटीक भविष्यवाणी की आवश्यकता है। वर्तमान में, ऐसी भविष्यवाणी पद्धति बनाना बेहद कठिन है जो 10-वर्ष की सेवा जीवन निर्धारित करती हो। हालाँकि, जैसा कि डेवलपर्स यह सुनिश्चित करने का प्रयास करते हैं कि जीवनकाल प्रदर्शन मार्जिन बाजार की मांग से अधिक हो, बैटरी प्रदर्शन में और सुधार होने की उम्मीद है।
6. सारांश
माध्यमिक बैटरियों के त्वरित परीक्षण में कठिनाई के कारण
इलेक्ट्रॉनिक घटकों या उपकरणों के समान परीक्षण की तुलना में, माध्यमिक बैटरियों का दीर्घकालिक त्वरित परीक्षण वर्तमान में अधिक कठिन है, मुख्यतः निम्नलिखित कारकों के कारण:
- बैटरी जीवन की भविष्यवाणी आमतौर पर कठोर वातावरण का अनुकरण करने या इलेक्ट्रॉनिक घटकों और उपकरणों जैसे सुरक्षा कारकों को बढ़ाने पर आधारित नहीं होती है, संभवतः बाजार की मांग के सापेक्ष वर्तमान बैटरी जीवन प्रदर्शन के लिए पर्याप्त मार्जिन की कमी के कारण।
- गिरावट की घटनाओं और गिरावट के कारकों के बीच अभी भी कई अस्पष्ट कारण संबंध हैं, जो खराब बैटरियों के दोष विश्लेषण में कठिनाई और मामलों की सीमित संख्या के कारण हो सकते हैं।
- बैटरियों की तीव्र विकास गति, सामग्री संरचना में परिवर्तन और पहले उल्लिखित दोष विश्लेषण में कठिनाइयों के कारण, बाजार गिरावट डेटा के बीच संबंध पर अपर्याप्त सत्यापन कार्य किया गया है।