Quel est le but du test de vieillissement des batteries au lithium ?

Quel est l’objectif du test de vieillissement des batteries au lithium ?

Si vous conservez un stock d'urgence de piles inutilisées chez vous, vous avez peut-être constaté, au moment où vous en avez besoin, que certaines piles doivent être réparées. Dans le monde des batteries Lithium-ion, le vieux n’est pas de l’or ! Comme les êtres humains, les batteries perdent de leur capacité avec l’âge. Tout comme l’espérance de vie des êtres humains dépend de leur santé, le vieillissement des batteries Lithium-ion dépend de leur État de Santé (SoH). Les tests de vieillissement permettent d'évaluer le SoH de la batterie et de prédire sa durée de vie.

Avant d’approfondir le sujet des tests de vieillissement, comprenons un peu plus le vieillissement des batteries. La figure 1 illustre modèle de vieillissement typique observé dans les batteries lithium-ion.

Le modèle de vieillissement présente trois phases. La première phase, appelée « stabilisation initiale », montre une légère augmentation de la capacité, même si la batterie est en cours d'utilisation. Cela peut être dû à la contribution d'ions lithium supplémentaires stockés dans la structure de l'anode, au-delà de la zone active de l'électrode, connue sous le nom de surplomb du lithium. La phase suivante du vieillissement montre un taux linéaire de diminution de la capacité. La batterie commence à s'épuiser plus rapidement que lorsqu'elle était neuve, mais cela se fait progressivement. La dernière étape de la perte de capacité se produit au « point critique », qui peut survenir entre 50 et 85 % de la capacité initiale. À ce stade, le taux de baisse de capacité est très rapide et la durée de vie utile de la batterie est terminée.

Les deux principales formes de vieillissement sont le vieillissement calendrique et le vieillissement cyclique. Le vieillissement calendaire se produit même lorsque la batterie n'est pas utilisée. Cela dépend de la température et de l'état de charge (SoC). À des températures plus élevées, la batterie vieillit plus vite. De même, une batterie maintenue constamment à un SoC élevé aura une durée de vie plus courte qu’une batterie fonctionnant normalement à un SoC inférieur.

Le vieillissement cyclique se produit en raison de l’utilisation de la batterie. Cela est dû à une détérioration chimique et physique irréversible des structures internes de la batterie à chaque cycle de charge et de décharge. La profondeur de décharge (DoD) au cours de chaque cycle est un facteur. Une décharge profonde à chaque cycle entraînera un vieillissement rapide. Par conséquent, le DoD doit être maintenu dans des limites modérées. Ceci illustré dans Figure 2 .

L’âge de la batterie est quelque chose que les utilisateurs aimeraient suivre. Cependant, pendant l’utilisation, il n’est pas pratique de suivre les variables du vieillissement cellulaire telles que le nombre de cycles, le SoC, le DoD et la température de fonctionnement. Le meilleur moment pour effectuer des tests de vieillissement est lorsque la batterie est neuve et prête à être emballée en usine. Les tests de vieillissement des batteries sont donc principalement effectués en usine, pour garantir la qualité. Une fois les batteries vendues, certains clients peuvent choisir de réaliser des tests spécifiques en fonction de leurs besoins, comme pour les véhicules électriques ou les batteries de stockage. Dans les sections suivantes, vous découvrirez les tests de vieillissement des batteries qui doivent être effectués en usine, lorsque les batteries sont neuves.

Quel est le test de vieillissement

Le test de vieillissement est un test de durée limitée visant à évaluer les performances et les caractéristiques de vieillissement d'une batterie dans des conditions contrôlées. Différentes conditions de fonctionnement sont imposées aux échantillons de test et la durée de vie attendue est estimée. Les pratiques de test varient selon les pays et selon les fabricants. La méthodologie générale consiste à utiliser des techniques de vieillissement accéléré, ainsi que des modèles logiciels capables de traduire les données de test pour caractériser les paramètres de vieillissement. L'utilisation de modèles logiciels est nécessaire car le test de vieillissement doit être capable de prédire la durée de vie de la batterie dans différents scénarios.

Mais comment accélérer le vieillissement de la batterie à des fins de tests ? Cela se fait en soumettant la batterie à une contrainte accrue pendant la durée du test.

Par exemple, une température élevée accélérera le vieillissement calendaire. Le vieillissement cyclique peut être accéléré en manipulant les cycles de charge et de décharge, pour différents taux DoD, de charge et de décharge (taux C).

Objectif du test de vieillissement

Le test de vieillissement de la batterie est une étape de contrôle qualité. Il fournit une base scientifique pour spécifier la durée de vie calendaire et la durée de vie attendues d’une batterie.

Importance du test de vieillissement de la batterie

Les consommateurs doivent avoir l’assurance que les nouvelles batteries fonctionneront de manière satisfaisante tout au long de leur durée de vie prévue. Personne ne veut acheter une batterie emballée comme neuve mais qui s’avère être en fin de vie. C’est un phénomène courant avec les batteries lithium-ion de qualité moins chère. Les tests de vieillissement des batteries sont donc importants car ils fournissent l’assurance qualité nécessaire sur la durée de vie.

Quelles sont les méthodes de test de vieillissement de la batterie

Les tests de vieillissement des batteries destinés au contrôle qualité des lots en usine doivent être rapides et précis. Des échantillons représentatifs de chaque lot de production doivent être testés. Bien que les mesures de test requises puissent être facilement obtenues, prédire la durée de vie de la batterie sur la base des données est complexe. Des modèles logiciels sophistiqués sont utilisés à cette fin.

Dans cette section, nous examinons les tests des batteries lithium-ion destinées au marché grand public à usage général. Les tests requis pour les utilisateurs de batteries automobiles et industrielles seront plus rigoureux et prendront plusieurs semaines, voire plusieurs mois. De tels tests de vieillissement spécialisés ne sont pas abordés ici.

Une batterie neuve et inutilisée perd progressivement sa capacité en raison du vieillissement calendaire, en fonction de la température et du SoC. Une fois que la batterie entre en service actif, le vieillissement est fortement influencé par des facteurs dynamiques variables qui ne peuvent pas être reproduits de manière fiable en usine. Par conséquent, pour les applications grand public normales, le test de vieillissement de la batterie est conçu pour mesurer la perte de capacité. Le test de vieillissement comporte trois étapes décrites ci-dessous :

  • La première étape consiste à mesurer la capacité de la batterie. Ces mesures sont effectuées à des températures représentant des conditions de stockage possibles, généralement 25 oC et 45 o
  • Dans un deuxième temps, les batteries sont soumises à un vieillissement accéléré.
  • La perte de capacité est induite par des cycles répétés de charge et de décharge à courant constant et à tension constante. Le taux C passe également de haut à bas. Par exemple, la séquence de cycles pour un lot test de batteries lithium-ion 18650 pourrait être la suivante :
    • Chargez à un courant constant (CC) de C/3 jusqu'à une tension de coupure de 4.2 V, suivi d'une étape de tension constante (CV) à 4.2 V jusqu'à ce que le courant de charge tombe à 0.1 A.
    • Donnez une période de repos de 1 minute
    • Effectuez la décharge à un courant constant, généralement 1C pour une décharge normale et 4C lors de tests de décharge élevée. Le courant constant doit être maintenu jusqu'à ce que la tension chute à 2.5 V.
    • Donnez une période de repos de 1 minute
    • Répétez la séquence ci-dessus 30 fois au taux 1C et 40 fois au taux 4C.
  • La troisième étape consiste à répéter les mesures de capacité pour chaque batterie. Ces mesures répétées sont appelées tests de performances de référence (RPT). Le changement de capacité indique à quel point la batterie s'est détériorée en raison du vieillissement.
  • Par la suite, des modèles logiciels sont utilisés pour analyser les données et faire des prédictions concernant la durée de vie future de la batterie.

Le banc d'essai de vieillissement est constitué de machines d'essais climatisées dotées de plusieurs canaux de test de batteries, un pour chaque cellule. Tout est relié à des ordinateurs qui traitent les données au fil du temps

La figure 3 montre une machine typique de test d'âge de batterie au lithium-ion pour une utilisation normale en usine.

Pourquoi est-il nécessaire de faire le test de vieillissement une fois la batterie classée et divisée ?

Le test de vieillissement est effectué une fois la fabrication terminée, car le consommateur n'achètera que le produit fini. Par conséquent, les échantillons de test doivent déjà être répartis dans les catégories de vente respectives.

Comment déterminer rapidement le degré de vieillissement d’une batterie au lithium ?

Les tests de capacité mentionnés ci-dessus constituent le moyen le plus rapide d’obtenir une mesure pertinente. Dans le même temps, un logiciel de test de vieillissement approprié doit être utilisé, capable d'analyser des centaines de scénarios de vieillissement, pour les batteries neuves comme pour les anciennes.

 

Quels autres tests sont nécessaires en plus des tests de vieillissement

Les contrôles de qualité de routine pour toutes les batteries lithium-ion sont les suivants :

  • Contrôle visuel : Il ne doit y avoir aucun défaut visible tel qu'une rayure profonde, une fissure, une rouille, une décoloration ou une fuite.
  • Vérification des dimensions : les dimensions de la batterie doivent correspondre au format spécifié.
  • Test de puissance de la batterie : cela se fait par des tests de charge et de décharge. Ce test n'est pas effectué sur chaque batterie, un échantillon représentatif de chaque lot de production peut être sélectionné. La charge standard implique une charge à courant constant de 0.5 C et également une charge à tension constante de 4.2 V avec un courant dégressif, pour finalement s'arrêter à 50 mA. La décharge standard consiste à décharger à un courant constant de 0.2 C, jusqu'à ce qu'une tension de 2.50 V soit atteinte.
  • Test de charge/décharge à haute consommation : Ce test est également effectué sur un ensemble représentatif de batteries de chaque lot de production. Le taux de charge dans ce cas est à un courant constant de 0.5 C jusqu'à une tension de 4.20 V et un courant final de 50 mA. Les cellules sont ensuite déchargées à un courant constant de 0.5C jusqu'à une basse tension de 2.50V. Les cellules sont reposées pendant 10 minutes après la charge et 20 minutes après la décharge.
  • Durée de vie : les cellules de test représentatives sont chargées et déchargées selon le test de consommation élevée, pendant 500 cycles. Un cycle est défini comme une charge et une décharge. La 501e puissance de décharge doit être supérieure à 70 % de la puissance initiale de la batterie.
  • Test de stockage : les échantillons de cellules sont chargés au taux standard et stockés dans un environnement à température contrôlée à 23 ºC ± 2 ºC pendant 30 jours. Après stockage, les cellules sont déchargées au rythme standard. La puissance résiduelle doit être supérieure à 90 pour cent de la puissance initiale.
  • Test à haute température : les échantillons de cellules sont chargés au taux standard et stockés dans un environnement à température contrôlée à 60 ºC pendant 1 semaine. Après stockage, les cellules sont déchargées au rythme standard puis cyclées pendant 3 cycles pour obtenir la puissance récupérée. La récupération de puissance doit être supérieure à 80 pour cent.
  • Test de chute : les cellules d'échantillon sont chargées au tarif standard et sont lâchées sur un plancher en bois d'une hauteur de 1.0 mètre. Un total de 3 chutes sont effectuées, comprenant 2 chutes depuis chaque terminal cellulaire et 1 chute depuis le côté du boîtier de la cellule. Il ne devrait y avoir aucune fuite ni augmentation de température.
Remonter en haut