يعد تقادم بطاريات الليثيوم عملية تدريجية طويلة المدى، وتتأثر صحة البطارية بعوامل مختلفة مثل درجة الحرارة ومعدل التيار وجهد القطع. في الوقت الحاضر، تم تحقيق بعض الإنجازات في البحث وتحليل النمذجة للحالة الصحية للبطارية. تشمل الأبحاث ذات الصلة آلية تدهور البطارية وتحليل عامل الشيخوخة، وإدارة صحة البطارية، ومراقبة حالة البطارية وتقديرها، والتنبؤ بعمر البطارية، وما إلى ذلك.
ومع ذلك، لا يزال هناك نقص في ملخص ومراجعة كاملة نسبيًا لتقييم الحالة الصحية لبطارية الليثيوم. تقدم هذه الورقة بشكل منهجي حالة البحث والتقدم المحرز في حالة البطارية الصحية من خمسة جوانب: التعريف، والعوامل المؤثرة، ونموذج التقييم، وصعوبات البحث والأهمية البحثية لحالة البطارية الصحية.
1. تعريف الحالة الصحية للبطارية
تتميز بطارية SOH بقدرة البطارية الحالية على تخزين الطاقة الكهربائية مقارنة بالبطارية الجديدة، وتمثل حالة البطارية من بداية عمرها الافتراضي إلى نهاية عمرها على شكل نسبة مئوية. هناك العديد من مؤشرات أداء البطاريات. هناك العديد من التعريفات لـ SOH في الداخل والخارج، ولكن هناك نقص في الوحدة في المفهوم. في الوقت الحاضر، ينعكس تعريف SOH بشكل أساسي في عدة جوانب مثل السعة والكهرباء والمقاومة الداخلية وأوقات الدورات وقوة الذروة.
1 تعريف السعة SOH
هناك معظم الأدبيات حول تعريف SOH من خلال اضمحلال سعة البطارية، ويتم تقديم تعريف SOH على النحو التالي: في الصيغة: Caged هي السعة الحالية للبطارية؛ الصندوق هو السعة المقدرة للبطارية.
2 تعريف الكهرباء SOH
تعريف SOH لاستهلاك الكهرباء يشبه تعريف السعة، لأن السعة المقدرة للبطارية لها قدرة فعالة فعلية وسعة قصوى، والقدرة الفعلية للبطارية تختلف إلى حد ما عن السعة المقدرة الاسمية، لذلك تحدد بعض الأدبيات SOH من منظور قدرة تفريغ البطارية.
3 تحدد المقاومة الداخلية SOH
تعد زيادة المقاومة الداخلية للبطارية مظهرًا مهمًا لعمر البطارية، وهي أيضًا سبب لزيادة تقادم البطارية. تستخدم العديد من الأدبيات المقاومة الداخلية لتحديد SOH.
4 عدد الدورات المتبقية يحدد SOH
بالإضافة إلى استخدام مؤشرات أداء البطارية مثل السعة والمقاومة الداخلية لتحديد SOH، هناك أيضًا أدبيات تحدد SOH للبطارية من خلال عدد الدورات المتبقية للبطارية
تعد تعريفات SOH للأنواع الأربعة المذكورة أعلاه من البطاريات شائعة نسبيًا في الأدبيات. إن تعريف السعة والكهرباء قابل للتشغيل بدرجة عالية، أما السعة فهي الأداء الخارجي للبطارية، أما قابلية التشغيل لتعريف المقاومة الداخلية والأوقات المتبقية فهي ليست قوية. ترتبط المقاومة الداخلية بـ SOC ودرجة الحرارة، وليس من السهل قياسها. ليس من السهل قياس عدد الدورات المتبقية والعدد الإجمالي للدورات. لا يمكن التنبؤ بها بدقة.
2. العوامل المؤثرة على الحالة الصحية لبطاريات الليثيوم
في السنوات الأخيرة، درست العديد من الآداب المحلية والأجنبية آلية الشيخوخة وقانون بطاريات الليثيوم. من المعتقد عمومًا أن ترسب أيونات الليثيوم وسماكة طبقة SEI وفقدان المواد النشطة هي الأسباب الرئيسية لشيخوخة البطارية وتناقص قدرتها. سيؤدي إساءة استخدام بطاريات الليثيوم إلى تسريع شيخوخة البطارية، وسيؤثر الشحن والتفريغ العادي للبطاريات أيضًا على صحة البطارية وتسريع شيخوخة البطارية.
1 تأثير درجة الحرارة على البطارية SOH
تعتبر درجة الحرارة بشكل عام العامل الرئيسي الذي يؤثر على صحة البطارية. درجة الحرارة لها تأثير مزدوج على أداء البطارية. فمن ناحية، فإن ارتفاع درجة الحرارة سوف يسرع التفاعل الكيميائي داخل البطارية ويحسن كفاءة وأداء البطارية. وفي الوقت نفسه، فإن ارتفاع درجة الحرارة سوف يؤدي أيضًا إلى تسريع بعض التفاعلات الكيميائية التي لا رجعة فيها. ويحدث التفاعل، مما يؤدي إلى انخفاض المادة النشطة في البطارية، مما يتسبب في تقادم البطارية واضمحلال قدرتها. تظهر البيانات التجريبية أن ارتفاع درجة الحرارة سوف يسرع نمو فيلم SEI الخاص بقطب البطارية، وستزداد صعوبة اختراق أيونات الليثيوم لفيلم SEI، وهو ما يعادل زيادة المقاومة الداخلية للبطارية.
2 تأثير معدل الشحن والتفريغ الحالي على البطارية SOH
سيؤثر معدل الشحن والتفريغ على عمر البطارية. تم اختبار بطارية Sony 18650 لمدة 300 دورة بثلاثة معدلات تفريغ مختلفة. وفي الوقت نفسه، سيؤدي التفريغ عالي السرعة إلى توليد المزيد من الحرارة داخل البطارية، مما سيؤدي إلى تسريع شيخوخة البطارية. لوحظ تحت المجهر الإلكتروني أن فيلم SEI الموجود على سطح القطب الكهربائي لبطارية التفريغ عالية السرعة أكثر سمكًا من طبقة التفريغ منخفضة السرعة.
3 تأثير عمق التفريغ على بطارية SOH
يؤثر عمق شحن البطارية وتفريغها على صحة البطارية وعمرها. من المعتقد أن البطارية قد تراكمت لديها طاقة نقل إجمالية، ويتم إجراء تحليل تسوس قدرة البطارية وتقادمها بناءً على إجمالي طاقة النقل. جاو فاي وآخرون. قام بتحليل العلاقة بين طاقة النقل التراكمي للبطارية واضمحلال قدرة البطارية من خلال اختبارات الدورة لأعماق التفريغ المختلفة لبطاريات الليثيوم، وخلص إلى أنه قبل أن تنخفض سعة البطارية إلى 85%، تكون طاقة النقل التراكمية للبطارية في الشحن العميق والتفريغ العميق واضمحلال سعة البطارية. إن وضعي الشحن الضحل والتفريغ الضحل متماثلان بشكل أساسي. عندما تتحلل سعة البطارية إلى 85% ~ 75%، تكون طاقة النقل التراكمية وكفاءة الطاقة للبطارية أفضل من وضع الشحن الضحل والتفريغ الضحل.
4 تأثير الفاصل الزمني للدورة على البطارية SOH
سيؤثر الفاصل الزمني لدورة شحن وتفريغ البطارية أيضًا على عملية تقادم البطارية. تختلف المقاومة الداخلية لبطارية الشحن والتفريغ باختلاف فترات الدورة. ولذلك، فإن حرارة البطارية ورد فعلها خلال الدورة يختلفان قليلاً، مما سيؤثر على صحة البطارية وعمرها على المدى الطويل. لذلك، يقترح بعض الخبراء أن نطاق SOC للبطارية يتراوح بين 20% إلى 80%، وهو أمر مفيد لصحة البطارية ودورة حياتها.
5 تأثير جهد قطع الشحن والتفريغ على البطارية SOH
سيؤثر الشحن الزائد والتفريغ الزائد للبطارية على صحة البطارية، كما ستؤثر حدود الجهد العلوي والسفلي غير المناسبة على البطارية. كلما انخفض جهد قطع التفريغ، زادت المقاومة الداخلية للبطارية، مما أدى إلى تسخين داخلي للبطارية، وزيادة التفاعلات الجانبية، وتقليل المواد النشطة للبطارية وانهيار ورقة الجرافيت السالبة، وتسارع التقادم واضمحلال قدرة البطارية بطارية. يؤدي الجهد الزائد لقطع الشحن إلى زيادة المقاومة الداخلية للبطارية، وزيادة الحرارة الداخلية للبطارية، ويتسبب الشحن الزائد في ظاهرة "ترسيب الليثيوم" للقطب السالب وما يقابلها من زيادة في التفاعلات الجانبية، مما يؤثر على السعة وشيخوخة البطارية.
باختصار، فإن درجة حرارة التشغيل ومعدل الشحن والتفريغ وعمق التفريغ والفاصل الزمني للدورة وجهد قطع الشحن والتفريغ للبطارية كلها سيكون لها تأثير على صحة البطارية وعمرها. في الوقت الحاضر، البحث عن العوامل المؤثرة على الحالة الصحية للبطارية هو في مرحلة البحث النوعي. يمثل التحليل الكمي لهذه العوامل المؤثرة على عمر البطارية وعلاقة الاقتران بين هذه العوامل صعوبات البحث ونقطة البحث الساخنة فيما يتعلق بصحة البطارية وعمرها في المستقبل.
