Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer hohen Energiedichte, hohen Leistungsdichte und geringen Selbstentladungseigenschaften häufig in Fahrzeugen mit neuer Energie verwendet. Allerdings kann die Akkulaufzeit die Bedürfnisse der Nutzer kaum erfüllen, was die Weiterentwicklung von Elektrofahrzeugen limitiert. Daher sollten der Alterungsmechanismus der Batterie und die Auswirkungen des Batterieverfalls bei der Optimierung des Batteriedesigns und -managements berücksichtigt werden.

Aus Sicht des Batteriedesigns: Auf Batterieebene müssen der Alterungsmechanismus und das Zerfallsmodell der Batterie untersucht werden, insbesondere die Schlüsselparameter der Batterie und der Einfluss anderer Schlüsselparameter (wie Energiedichte und Leistungsdichte) auf Auch die Batterie muss besprochen werden. Die hier erwähnten Schlüsselparameter umfassen die Dicke, Porosität, Partikelgröße, Zellgröße, Zellform usw. der Anoden- und Kathodenaktivmaterialien. Diese Parameter können basierend auf Mehrziel-Optimierungsalgorithmen optimiert werden, um bessere Batterien zu entwickeln. Auf Batteriesystemebene sind auch Batteriealterungsmechanismen und Degradationsmodelle von großer Bedeutung. Der Einfluss elektrischer, mechanischer und/oder thermischer Faktoren auf die Batterielebensdauer muss anhand von Alterungsmechanismen und Degradationsmodellen analysiert werden.

Aus Sicht des Batteriemanagements sind Batteriealterungsmechanismen und Zerfallsmodelle wichtig für die Bewertung des Batteriezustands (beeinflusst durch frühere Nutzung und aktuelle Betriebsbedingungen) und die Vorhersage der Leistung.

(1) Allgemein wird die Einschätzung des Zustands gebrauchter Batterien auch als State Health Assessment (SOH) bezeichnet. Typischerweise nimmt die Batterieleistung (wie nutzbare Kapazität, nutzbare Energie und nutzbare Leistung) mit dem Alter der Batterie ab. Daher muss das BMS (Batteriemanagementsystem) den SOH der Batterie gemäß dem Alterungsmechanismus der Batterie und dem Zerfallsmodell der Batterie schätzen. Dieses Ergebnis hat einen wichtigen Referenzwert für andere Schätzalgorithmen in BMS. Gemäß den SOH-Ergebnissen kann die Batterie vernünftig ohne Missbrauch und Sicherheitsunfälle verwendet werden.
(2) Im Allgemeinen bedeutet die Optimierung des aktuellen Betriebszustands eine SOP-Bewertung (State of Power) und ein thermisches Management. Unterschiedliche Betriebsbedingungen haben natürlich unterschiedliche Auswirkungen auf die spätere Lebensdauer der Batterie. Daher kann BMS basierend auf dem Alterungsmechanismus unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und dem entsprechenden Batteriedegradationsmodell die Beschädigung der Batterie unter verschiedenen Arbeitsbedingungen vorhersagen. Basierend auf der Lebensdauer- und Leistungsanalyse der Batterie kann das BMS dann mithilfe eines Online-Optimierungsverfahrens den Lade-Entlade-Zustand und die Temperatur der Batterie koordinieren.
(3) Normalerweise bedeutet die Vorhersage der zukünftigen Performance die Vorhersage der RUL (Remaining Useful Life). RUL ist sehr nützlich für das Online-Management von Batterien, die Bewertung von Gebrauchtwagen und die Kaskadennutzung von Batterien, insbesondere die Bewertung des Restwerts von Batterien. In Anbetracht der nichtlinearen Fading-Eigenschaften von Batterien können herkömmliche Extrapolationsmethoden die verbleibende Lebensdauer von Batterien nicht genau vorhersagen. Es ist notwendig, zuverlässige Vorhersagen basierend auf den Hauptalterungsmechanismen verschiedener Zerfallszustände unter verschiedenen Betriebsbedingungen und den entsprechenden Batterielebensdauermodellen zu erzielen.

Aus Sicht des Systems ist ersichtlich, dass zur Lösung einer Reihe von Batteriedesign- und Managementproblemen im Zusammenhang mit der Batteriealterung der aktuelle Forschungsstand zur Batteriealterung, einschließlich Einflussfaktoren, Alterungsmechanismen, überprüft, zusammengefasst und analysiert werden muss , Alterungsmodelle und Diagnoseverfahren. Bestehende Übersichtsarbeiten konzentrieren sich jedoch hauptsächlich auf einen typischen Punkt.

Der Batterielebenszyklus umfasst Batteriedesign, Produktion, EV-Anwendung und Sekundärnutzung. Die Verschlechterung der Batterieleistung sollte in den frühesten Schritten des Batteriedesigns berücksichtigt werden. In verschiedenen Stadien können das Zerfallsphänomen und der interne Alterungsmechanismus der Batterie sehr unterschiedlich sein.

Dieses Papier bietet einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Aspekte der Batteriealterung aus Systemperspektive, einschließlich der folgenden Aspekte: interner Alterungsmechanismus und äußere Eigenschaften der Batterie, Analyse von Faktoren, die die Batterielebensdauer aus Designperspektive beeinflussen, Produktion und Anwendung, Modell der Batteriealterung, Mechanismen und Modelle der Batteriealterung.

Im Allgemeinen sollte die Batteriealterungsanalyse unter mehreren Aspekten wie Einflussfaktoren, internen Nebenreaktionen, Alterungsmodi und externen Einflüssen durchgeführt werden, wie in Abbildung 3 gezeigt. Die intuitivsten externen Merkmale des Batterieschwunds sind Kapazitätsschwund und/oder Leistung verblassen. Gegenwärtig konzentrieren sich die meisten Veröffentlichungen noch auf diese beiden Punkte, um die Batteriealterung zu erforschen und zu modellieren. Typischerweise ist die Leistungsdämpfung schwieriger zu untersuchen und wird durch die Untersuchung der inneren Impedanz ersetzt.

In Bezug auf den Abklingmodus der Batterie kann der Alterungsmechanismus der Batterie für das Batteriemanagement und die Online-Diagnose wie folgt zusammengefasst werden: Lithium-Ionen-Speicherverlust (LLI) und Anoden-/Kathoden-Aktivmaterialverlust (LAM). Das Two-Box-Modell kann den entsprechenden Alterungsmechanismus beschreiben. Im Allgemeinen ist der Lade-Entlade-Vorgang einer Batterie untrennbar mit der Einlagerung und Delaminierung von Lithium-Ionen auf den positiven und negativen aktiven Materialien verbunden. Daher wird die Batteriekapazität direkt von der Aktivmaterialmenge und der Anzahl der verfügbaren Lithium-Ionen bestimmt. Das aktive Material ist wie ein Wassertank, und die Lithiumionen sind wie das Wasser im Tank, wie in Abbildung 4 gezeigt. Die Hauptalterungsmechanismen für Li-Ionen-Batterien sind also LAM (was wie Änderungen im Tank selbst ist) und LLI (was wie Wasserverlust im Tank ist). Außerdem umfasst der Abklingmodus der Batterie auch eine Erhöhung des Innenwiderstands (RI) und einen Elektrolytverlust (LE). Die Erhöhung des Innenwiderstands führt direkt zu einer Leistungsdämpfung der Batterie, und die verfügbare Kapazität der Batterie nimmt ebenfalls ab. Elektrolytverlust ist auch ein sehr wichtiger Zerfallsmodus. Ein geringer Elektrolytverlust hat nur geringe Auswirkungen auf die Batterieleistung, während ein übermäßiger Elektrolytverlust direkt zu einem plötzlichen Kapazitätsabfall führen kann. Die Erhöhung des Innenwiderstands führt direkt zu einer Leistungsdämpfung der Batterie, und die verfügbare Kapazität der Batterie nimmt ebenfalls ab. Elektrolytverlust ist auch ein sehr wichtiger Zerfallsmodus. Ein geringer Elektrolytverlust hat nur geringe Auswirkungen auf die Batterieleistung, während ein übermäßiger Elektrolytverlust direkt zu einem plötzlichen Kapazitätsabfall führen kann. Die Erhöhung des Innenwiderstands führt direkt zu einer Leistungsdämpfung der Batterie, und die verfügbare Kapazität der Batterie nimmt ebenfalls ab. Elektrolytverlust ist auch ein sehr wichtiger Zerfallsmodus. Ein geringer Elektrolytverlust hat nur geringe Auswirkungen auf die Batterieleistung, während ein übermäßiger Elektrolytverlust direkt zu einem plötzlichen Kapazitätsabfall führen kann.

Innerhalb der Batterie werden diese Zerfallsmodi durch einige interne physikalische oder chemische Nebenwirkungen verursacht, und die mit der Alterung verbundenen Nebenwirkungen sind sehr komplex. LAM kann durch folgende Faktoren verursacht werden: Graphitabblätterung; Metallauflösung und Elektrolytzersetzung; Aktivmaterial Kontaktverlust durch Stromkollektorkorrosion und Binderzersetzung. Die Bildung von LLI kann mit der SEI-Filmbildung (Festelektrolyt-Grenzfläche) und kontinuierlicher Verdickung, der CEI-Bildung (Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche), der Lithiumionenabscheidung und anderen Faktoren zusammenhängen. Die Bildung von LE kann auf Elektrolytverbrauch zurückzuführen sein, der durch Nebenreaktionen wie Verdickung des SEI-Films und durch hohes Potential induzierte Elektrolytzersetzung verursacht wird. Während RI durch die Bildung und fortgesetzte Verdickung von SEI und LE usw. verursacht werden kann.

Die Ergebnisse zeigen, dass es viele Faktoren gibt, die die Nebenreaktionen innerhalb der Batterie beeinflussen, einschließlich Batteriedesign, Produktion und Arbeitsbedingungen. Diese Faktoren beeinflussen die Rate der Nebenreaktionen innerhalb der Batterie und beeinflussen dadurch die Lebensdauereigenschaften der Batterie.