Welche Faktoren beeinflussen den SOH von Lithiumbatterien?

Die Alterung von Lithiumbatterien ist ein langfristiger Prozess. Der Zustand der Batterie wird von Temperatur, Stromstärke, Abschaltspannung und anderen Faktoren beeinflusst. Derzeit wurden einige Erfolge in der Forschung und Modellanalyse des Batteriezustands erzielt. Die relevante Forschung umfasst die Analyse des Batteriedegenerationsmechanismus und der Alterungsfaktoren, das Gesundheitsmanagement von Batterien, die Überwachung und Einschätzung des Batteriezustands sowie die Vorhersage der Batterielebensdauer.

Allerdings mangelt es noch immer an einer perfekten Einführung und Zusammenfassung bei der Bewertung des Gesundheitszustands von Lithiumbatterien. In diesem Artikel werden die aktuelle Situation und der Fortschritt des Batteriegesundheitszustands anhand der Definition, der Einflussfaktoren, des Bewertungsmodells, der Forschungsschwierigkeiten und der Forschungsbedeutung systematisch vorgestellt.

Ⅰ. Definition des Batteriezustands

Der Ladezustand (SOH) einer Batterie kennzeichnet die Fähigkeit der aktuellen Batterie, Energie im Vergleich zu einer neuen Batterie zu speichern. Er stellt den prozentualen Zustand dar, in dem sich die Batterie vom Beginn bis zum Ende ihrer Lebensdauer befindet, und wird verwendet, um den Leistungszustand der aktuellen Batterie zu quantifizieren. Es gibt viele Indikatoren für die Batterieleistung. Der SOH im In- und Ausland hat unterschiedliche Definitionen. Das Konzept ist nicht einheitlich. Die aktuelle Definition des SOH spiegelt sich hauptsächlich in Kapazität, Leistung, Innenwiderstand, Zykluszeiten und Spitzenleistung usw. wider.

1, Kapazitätsdefinition SOH

Die am besten dokumentierte Definition von SOH mit SOH-Dämpfung durch die Batteriekapazität lautet wie folgt:

Caged ist die aktuelle Kapazität der Batterie und Crated ist die Nennkapazität der Batterie.

2, Leistungsdefinition SOH

Die Definition des Stromverbrauchs (SOH) ähnelt der Kapazitätsdefinition, da die Nennkapazität der Batterie die tatsächliche effektive Kapazität und die maximale Kapazität aufweist. Die tatsächliche Kapazität der Batterie und die nominale Nennkapazität unterscheiden sich etwas, sodass es Literatur gibt, die SOH aus der Sicht der Batterieentladung definiert.

Qaged-max ist die maximale Entladeleistung für die aktuelle Batterie und Qnew-max ist die maximale Entladeleistung für die neue Batterie.

3. Definition des Innenwiderstands SOH

Der Anstieg des Innenwiderstands einer Batterie ist ein wichtiger Ausdruck der Batteriealterung und auch die Ursache für weitere Batteriealterung. In vielen Veröffentlichungen wird für den Innenwiderstand die Definition SOH verwendet.

REOL ist der Innenwiderstand am Ende der Batterielebensdauer, Rc ist der Innenwiderstand der aktuellen Batterie und Rnew ist der Innenwiderstand der neuen Batterie.

4. Anzahl der verbleibenden Schleifen definiert SOH

Zusätzlich zur Definition des SOH anhand von Batterieleistungsmetriken wie Kapazität und Innenwiderstand ist auch dokumentiert, dass der SOH der Batterie anhand der Anzahl der verbleibenden Zyklen der Batterie definiert wird.

Cntremain ist die Anzahl der verbleibenden Zyklen der Batterie und Cnttota ist die Gesamtzahl der Zyklen der Batterie.

Die SOH-Definitionen dieser vier Batterietypen sind in der Literatur weit verbreitet. Die Kapazitäts- und Leistungsdefinition ist eine hohe Funktionsfähigkeit, die Kapazität ist jedoch die externe Leistung der Batterie. Der Innenwiderstand und die verbleibende Anzahl der definierten Ladezyklen sind nicht stark ausgeprägt. Der Innenwiderstand hängt mit dem SOC und der Temperatur zusammen und ist nicht leicht zu messen. Die Anzahl der verbleibenden Zyklen und die Gesamtzahl der Zyklen können nicht genau vorhergesagt werden.

Ⅱ, Faktoren für den Gesundheitszustand von Lithiumbatterien

In den letzten Jahren wurden im In- und Ausland zahlreiche Veröffentlichungen zu den Mechanismen und Gesetzmäßigkeiten der Alterung von Lithiumbatterien veröffentlicht. Es wird allgemein angenommen, dass Lithiumionenablagerungen, die Verdickung der SEI-Membran und der Verlust von Wirkstoffen die Hauptursachen für die Alterung und den Kapazitätsverlust von Batterien sind. Der Missbrauch von Lithiumbatterien beschleunigt die Alterung der Batterie. Auch das normale Laden der Batterie beeinträchtigt den Zustand der Batterie und beschleunigt die Alterung der Batterie.

1. Der Einfluss der Temperatur auf den Batterie-SOH

Die Temperatur wird oft als ein wichtiger Faktor angesehen, der die Gesundheit der Batterie beeinflusst. Sie hat einen doppelten Effekt auf die Leistung der Batterie: Einerseits beschleunigt eine hohe Temperatur die chemischen Reaktionen in der Batterie und verbessert so deren Effizienz und Leistung, andererseits beschleunigt sie auch einige irreversible chemische Reaktionen, was zu einer Verringerung der Wirkstoffe in der Batterie führt und so zu Batteriealterung und Kapazitätsverlust. Experimentelle Daten zeigen, dass eine hohe Temperatur das Wachstum der SEI-Membran der Batterieelektrode beschleunigt und es für Lithium-Ionen schwieriger wird, die SEI-Membran zu durchdringen, was einem Anstieg des Widerstands innerhalb der Batterie entspricht.

2. Lade- und Entladestrom verstärken den Ladezustand der Batterie

Lade- und Entladevorgänge beeinflussen die Lebensdauer der Batterie. Bei 300-Zyklen-Experimenten mit einem Sony 18650-Akku mit drei verschiedenen Entladevorgängen verringerte sich die Kapazität um 9,5 %, 13,2 % bzw. 16,9 %, während der Widerstand um 12,4 %, 18,3 % bzw. 27,7 % anstieg. Gleichzeitig erzeugt eine Entladung mit hohem Lade- und Entladevorgang mehr Wärme im Inneren der Batterie und beschleunigt deren Alterung. Unter dem Elektronenmikroskop wurde eine höhere Entladungsrate der Elektrodenoberfläche der SEI-Membran der Batterie als eine niedrigere Entladung beobachtet.

3. Der Einfluss der Entladetiefe auf den Ladezustand der Batterie

Die Lade- und Entladetiefe einer Batterie wirkt sich auf deren Zustand und Alterung aus. Es gibt eine Ansicht, dass die Batterie eine kumulative Gesamtübertragungsenergie hat, basierend auf der Gesamtübertragungsenergie für die Analyse des Kapazitätsabfalls und der Alterung der Batterie. Hochfliegender Lithium-Akku durch Zyklustests mit unterschiedlichen Entladetiefen und so weiter, Analyse der Beziehung zwischen der kumulativen Übertragungsenergie der Batterie und dem Abfall der Batteriekapazität, um den Abfall der Batteriekapazität auf 85 % vor dem Abfall zu erhalten. Die kumulative Energieübertragung im tiefen und flachen Medium ist in den beiden Modi grundsätzlich gleich. Wenn die Batteriekapazität auf 85 % bis 75 % abnimmt, ist die kumulative Übertragungsenergie und Energieeffizienz der Batterie im tiefen Füllmodus besser als im flachen Füllmodus.

4. Die Auswirkung des Zyklusintervalls auf den Batterie-SOH

Das Lade- und Entladezyklusintervall der Batterie beeinflusst auch den Alterungsprozess der Batterie. Das Zyklusintervall unterscheidet sich vom entsprechenden Lade- und Entladewiderstand der Batterie. Daher unterscheiden sich die Erwärmung und Reaktion der Batterie im Zyklusprozess geringfügig, was sich langfristig auf die Gesundheit und Alterung der Batterie auswirkt. Daher schlagen einige Experten vor, dass der Ladezustand der Batterie im Bereich von 20 % bis 80 % liegt, was der Gesundheit und Lebensdauer der Batterie förderlich ist.

5. Lade- und Entlade-Abschaltspannung auf den SOH-Effekt der Batterie

Überladung und übermäßige Entladung von Batterien wirken sich auf deren Zustand aus, und unangemessene Spannungsgrenzen und niedrige Spannungsgrenzen wirken sich auf die Batterie aus. Je niedriger die Entladeschlussspannung, desto größer der Innenwiderstand der Batterie, was zu einer Erwärmung der Batterie führt, während gleichzeitig vermehrt Nebenreaktionen auftreten, die aktiven Substanzen der Batterie reduziert werden und die negative Graphitschicht kollabiert, was zu Batteriealterung und Kapazitätsverlust führt. Eine zu hohe Ladeschlussspannung führt zu einer Erhöhung der Batterie, die innere Erwärmung der Batterie steigt, Überladung führt zum Auftreten des „Lithium“-Phänomens am Minuspol und den entsprechenden Nebeneffekten, was sich auf die Kapazität und Alterung der Batterie auswirkt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Temperatur, Lade- und Entladehäufigkeit, Entladetiefe, Zyklusintervall und Lade-/Entlade-Abschaltspannung der Batterie ihren Zustand und ihre Lebensdauer beeinflussen. Die Forschung zu den Einflussfaktoren auf den Batteriezustand befindet sich derzeit in der qualitativen Phase. Die quantitative Analyse der Batteriealterung und die Kopplung verschiedener Faktoren stellen die größten Herausforderungen dar und sind zugleich der Schwerpunkt zukünftiger Forschungen zu Batteriezustand und -lebensdauer.

Ⅲ. Modell zur Beurteilung des Zustands von Lithiumbatterien

Der Gesundheitszustand einer Lithiumbatterie kann nicht durch direkte Messung ermittelt werden. Der Gesundheitszustand der Batterie kann durch Modellbewertung ermittelt werden. Die Alterung und der Gesundheitszustand der Batterie werden von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst. Das aktuelle Modell zur Bewertung des Gesundheitszustands einer Lithiumbatterie besteht hauptsächlich aus drei Modellen: einem elektrochemischen Modell, einem Ersatzschaltbildmodell und einem Erfahrungsmodell.

1, Elektrochemisches Modell

Das elektrochemische Modell analysiert die Zustandsänderung der Batterie anhand des Mechanismus ihrer elektrochemischen Reaktion und berücksichtigt die Auswirkungen der Alterung der Batterie auf ihre internen und externen Zustandsvariablen (Temperatur, Stromstärke, Abschaltspannung usw.). Die Forschung zum elektrochemischen Modell von Lithiumbatterien umfasst komplexe elektrochemische Modelle basierend auf dem SEI-Mechanismusmodell, dem elektrochemischen First-Principle-Modell sowie dem integrierten ein- und mehrfaktoriellen elektrochemischen Modell.

2. Ersatzschaltbildmodell

Das Ersatzschaltbildmodell aus elektrotechnischer Sicht der Batterie, kombiniert mit einer umfangreichen Zustandsdatenanalyse, entspricht einem grundlegenden Schaltkreismodell der Lithiumbatterie. Das Schaltkreismodell wird zur Bewertung des Gesundheitszustands der Batterie verwendet. Das grundlegende Ersatzschaltbildmodell der Lithiumbatterie ist das Rint-Modell, das RC-Modell und das Thevenin-Modell. Das PNGV-Modell und das GNL-Modell sind verbesserte Modelle auf der Grundlage des Thevenin-Ersatzschaltbildmodells.

3. Erfahrungsmodell

Das empirische Modell ermittelt die Änderung des Batterieleistungszustands durch eine große Anzahl experimenteller Datenanalysen, Anpassungen, Versuche, empirische Formeln und statistische Verarbeitung und fasst das Änderungsgesetz des gesunden Zustands der Batterie zusammen, hauptsächlich das Erfahrungsmodell der Batterieimpedanz und das Erfahrungsmodell zur Schätzung der Batteriekapazität.

Ⅳ. Schwierigkeiten bei der Untersuchung des Gesundheitszustands von Lithiumbatterien

Die Forschung zur Gesundheit und Lebensdauer von Lithiumbatterien wird immer wichtiger, die SOH-Forschung zu Batterien befindet sich jedoch noch in den Kinderschuhen, hauptsächlich aus den folgenden drei Gründen.

1. Langer Forschungszyklus, strenge Kontrolle der Versuchsbedingungen

Der Zyklus einer Lithiumbatterie ist lang und der Alterungstestzyklus der Batterie ist sehr lang. Im Testprozess müssen Temperatur, Lade- und Entladestrom sowie Lade- und Entlade-Abschaltspannung streng kontrolliert werden und die Alterung der Batterie muss zu bestimmten Zeiten bewertet werden.

2. Schwierigkeiten bei der Überwachung und Analyse des internen Batteriezustands

Die SOH-Studie einer Lithiumbatterie umfasst die internen Zustandsvariablen der Batterie, wie etwa die Innentemperatur der Batterie, die Elektrolytkonzentration und den Innenwiderstand im elektrochemischen Modell. Der interne Zustand der Batterie lässt sich nur sehr schwer genau überwachen und außerdem ist eine quantitative Analyse dieser Zustandsvariablen erforderlich, was die SOH-Studie der Batterie zu einer schwierigen Problemlösung macht.

3, Alle Arten von Einflussfaktoren Kopplung

Temperatur, Lade- und Entladehäufigkeit sowie Entladetiefe im Batteriebetrieb sind Faktoren, die die Alterung und Lebensdauer der Batterie beeinflussen. Diese Faktoren wirken sich gegenseitig aus. Die Erforschung des Batterie-SOH erfordert die Entkopplung verschiedener Einflussfaktoren. Diese Faktoren sind jedoch miteinander verknüpft, die Entkopplungsbedingungen sind schwer zu kontrollieren und eine Entkopplungsanalyse ist derzeit schwierig.

V. Die Bedeutung der Studie zum Gesundheitszustand von Lithiumbatterien

Die SOH-Forschung für Batterien ist schwierig und zeitaufwändig, sie ist jedoch für die Nutzung, Wartung und Bewertung von Batterien von großem Wert und kann eine Grundlage und Referenz für Planung, Politik und industrielle Entwicklung bieten.

1. Die Bedeutung des Batteriemanagements

Das Batteriemanagementsystem schätzt den Ladezustand der Batterie und die verbleibende Leistungskapazität hängt mit der Batteriekapazität zusammen. Wenn das Batteriemanagementsystem die Alterungsgesetze und den Gesundheitszustand der Batterie beherrscht, kann es die Batterielebensdauer gut verwalten.

2. Bedeutung für Batterienutzung und -pflege

Die SOH-Forschung ist hilfreich, um die Faktoren der Batteriealterung zu verstehen und theoretische Anleitungen für die Verwendung und Wartung von Batterien bereitzustellen. Bei der Verwendung und Wartung von Batterien kann das Verständnis der Faktoren, die die Batteriealterung beeinflussen, hohe und niedrige Temperaturen sowie Überladung reduzieren. Überladung kann dazu führen, dass die Batterienutzung beeinträchtigt wird. Die Kenntnis des aktuellen Zustands der Batterie kann dazu beitragen, die inhärenten Fallstricke und die Lebensdauer der Batterie zu bestimmen und eine Referenz für die Wartung und den Austausch der Batterie bereitzustellen.

3. Die Bedeutung der Batterieökonomiebewertung

Die genaue Bewertung des SOH ist für die wirtschaftliche Bewertung von Batterien von großer Bedeutung. Anwendungsszenarien, Nutzungsmethoden und Wartungsmethoden von Lithiumbatterien führen zu Unterschieden in der Batterielebensdauer, sodass sich die Kosten der Batterienutzung, der wirtschaftliche Nutzen und andere wirtschaftliche Bewertungsunterschiede ergeben. Durch die SOH-Forschung wird das Alterungsmodell von Batterien erstellt, die Wirtschaftlichkeit von Batterien analysiert und Datenunterstützung bereitgestellt, um die Investitionsentscheidungen von Unternehmen, die Politikgestaltung der Regierung und die Planung der industriellen Entwicklung wirksam zu unterstützen.