Qual è lo scopo del test di invecchiamento della batteria al litio?

Se tieni a casa una scorta di emergenza di batterie non utilizzate, potresti scoprire, nel momento del bisogno, che alcune batterie devono essere riparate. Nel mondo delle batterie agli ioni di litio, il vecchio non è oro! Come gli esseri umani, le batterie perdono la loro capacità con l’età. Proprio come l’aspettativa di vita degli esseri umani dipende dalla loro salute, l’invecchiamento delle batterie agli ioni di litio dipende dal loro Stato di Salute (SoH). I test di invecchiamento vengono utilizzati per valutare il SoH della batteria e prevederne la durata.

Prima di approfondire l'argomento dei test di invecchiamento, cerchiamo di capire meglio cosa significa l'invecchiamento delle batterie. La Figura 1 illustra il tipico andamento dell'invecchiamento osservato nelle batterie agli ioni di litio.

Il modello di invecchiamento mostra tre fasi. La prima fase, denominata “assestamento iniziale”, mostra un leggero aumento di capacità, anche se la batteria è in uso. Questo potrebbe essere il contributo di ioni di litio extra parcheggiati nella struttura dell'anodo, oltre all'area dell'elettrodo attivo, nota come sporgenza di litio. La fase successiva dell'invecchiamento mostra un tasso lineare di diminuzione della capacità. La batteria inizia a scaricarsi più rapidamente rispetto a quando era nuova, ma è graduale. La fase finale della perdita di capacità avviene al “punto di ginocchio”, che può verificarsi al 50-85% della capacità iniziale. In questa fase il tasso di declino della capacità è molto elevato e la vita utile della batteria è esaurita.

Le due principali forme di invecchiamento sono l'invecchiamento calendariale e l'invecchiamento ciclico. L'invecchiamento del calendario avviene anche quando la batteria non viene utilizzata. Dipende dalla temperatura e dallo stato di carica (SoC). A temperature più elevate, la batteria invecchia più velocemente. Allo stesso modo, una batteria mantenuta costantemente a un SoC elevato avrà una durata inferiore rispetto a una batteria utilizzata normalmente a un SoC inferiore.

L'invecchiamento ciclico si verifica a causa dell'utilizzo della batteria. Ciò è dovuto al deterioramento chimico e fisico irreversibile delle strutture interne della batteria durante ogni ciclo di carica e scarica. La profondità di scarica (DoD) durante ogni ciclo è un fattore determinante. Una scarica profonda durante ogni ciclo provoca un invecchiamento rapido. Pertanto, la DoD deve essere mantenuta entro limiti moderati. Questo è illustrato nella Figura 2.

L’età della batteria è qualcosa che gli utenti vorrebbero monitorare. Tuttavia, durante l'utilizzo, non è pratico tenere traccia delle variabili di invecchiamento della cella come numero di cicli, SoC, DoD e temperatura operativa. Il momento migliore per eseguire i test di invecchiamento è quando la batteria è nuova e pronta per essere imballata in fabbrica. I test di invecchiamento della batteria vengono quindi eseguiti principalmente in fabbrica, per garantire la qualità. Una volta vendute le batterie, alcuni clienti possono scegliere di effettuare test specifici in base alle loro esigenze, ad esempio per i veicoli elettrici o per gli accumulatori. Nelle sezioni seguenti verranno illustrati i test di invecchiamento delle batterie che dovrebbero essere eseguiti in fabbrica, quando le batterie sono nuove.

Qual è il test di invecchiamento

Il test di invecchiamento è un test di durata limitata per valutare le prestazioni e le caratteristiche di invecchiamento di una batteria in condizioni controllate. Ai campioni di prova vengono imposte diverse condizioni operative e viene stimata la durata prevista. Le pratiche di test variano nei diversi paesi e tra i produttori. La metodologia generale prevede l'impiego di tecniche di invecchiamento accelerato, insieme a modelli software in grado di tradurre i dati di test per caratterizzare i parametri di invecchiamento. L'uso di modelli software è necessario poiché il test di invecchiamento deve essere in grado di prevedere la durata della batteria in vari scenari.

Ma come accelerare l'invecchiamento della batteria a scopo di test? Questo viene fatto sottoponendo la batteria a uno stress maggiore per la durata del test.

Ad esempio, la temperatura elevata accelererà l’invecchiamento del calendario. L’invecchiamento ciclico può essere accelerato manipolando i cicli di carica e scarica, per diversi DoD e tassi di carica e scarica (C-rate).

Scopo del test di invecchiamento

Il test di invecchiamento della batteria è una fase di controllo qualità. Fornisce una base scientifica per specificare la durata prevista e il ciclo di vita di una batteria.

Importanza del test di invecchiamento della batteria

I consumatori devono avere la certezza che le nuove batterie funzioneranno in modo soddisfacente per tutta la durata prevista. Nessuno vuole acquistare una batteria imballata come nuova ma che risulta essere al termine della sua vita. Questo è un evento comune con le batterie agli ioni di litio di qualità più economica. Pertanto i test di invecchiamento della batteria sono importanti in quanto forniscono la necessaria garanzia di qualità sull’aspettativa di vita.

Quali sono le modalità del test di invecchiamento della batteria

I test di invecchiamento della batteria per il controllo qualità dei lotti in fabbrica devono essere rapidi e accurati. Devono essere testati campioni rappresentativi di ogni lotto di produzione. Sebbene le misurazioni di prova richieste possano essere ottenute facilmente, prevedere la durata della batteria in base ai dati è complesso. A questo scopo vengono utilizzati sofisticati modelli software.

In questa sezione esamineremo i test sulle batterie agli ioni di litio per il mercato consumer di uso generale. I test richiesti per gli utilizzatori di batterie automobilistiche e industriali di grandi dimensioni saranno più rigorosi e richiederanno diverse settimane e persino mesi. Tali test di invecchiamento specializzati non vengono discussi qui.

Una batteria nuova, non utilizzata, perde gradualmente capacità a causa dell'invecchiamento del calendario, a seconda della temperatura e del SoC. Una volta che la batteria entra in servizio attivo, l'invecchiamento è fortemente influenzato da fattori dinamici variabili che non possono essere riprodotti in modo affidabile in fabbrica. Pertanto, per le normali applicazioni consumer, il test di invecchiamento della batteria è progettato per misurare l'attenuazione della capacità. Il test di invecchiamento prevede tre fasi come descritto di seguito:

La prima fase prevede la misurazione di base della capacità della batteria. Queste misurazioni vengono effettuate a temperature che rappresentano le possibili condizioni di conservazione, in genere 25 ^oC e 45 ^o
Nella seconda fase le batterie vengono sottoposte ad un invecchiamento accelerato.
L'attenuazione della capacità è indotta da ripetuti cicli di carica e scarica a corrente costante e tensione costante. Anche il tasso C viene modificato da alto a basso. Ad esempio, la sequenza ciclica per un lotto di prova di batterie agli ioni di litio 18650 potrebbe essere la seguente:
- Caricare a una corrente costante (CC) di C/3 fino a una tensione di interruzione di 4.2 V, seguita da un gradino di tensione costante (CV) a 4.2 V finché la corrente di carica non scende a 0.1 A.
- Concedi un periodo di riposo di 1 minuto
- Eseguire la scarica a una corrente costante, tipicamente 1C per la scarica normale e 4C quando si eseguono test di scarica elevata. La corrente costante deve essere mantenuta finché la tensione non scende a 2.5 V.
- Concedere un periodo di riposo di 1 minuto
- Ripetere la sequenza sopra 30 volte alla velocità di 1°C e 40 volte alla velocità di 4°C.
La terza fase prevede la ripetizione delle misurazioni della capacità per ciascuna batteria. Queste misurazioni ripetute sono chiamate Test di prestazione di riferimento (RPT). La variazione di capacità indica quanto la batteria si è deteriorata a causa dell'invecchiamento.
Successivamente, vengono utilizzati modelli software per analizzare i dati e fare previsioni sulla durata futura della batteria.

Il banco prova invecchiamento è costituito da macchine di prova climatizzate con diversi canali di prova batterie, uno per ciascuna cella. Tutto è collegato a computer che elaborano i dati che invecchiano

La Figura 3 mostra una tipica macchina per testare l'età delle batterie agli ioni di litio per il normale utilizzo in fabbrica.

Perché è necessario eseguire il test di invecchiamento dopo che la batteria è stata classificata e divisa?

Il test di invecchiamento viene eseguito al termine della produzione, poiché il consumatore acquisterà solo il prodotto finito. Pertanto i campioni di prova devono essere già separati nelle rispettive categorie di vendita.

Come determinare rapidamente il grado di invecchiamento della batteria al litio?

I test di capacità menzionati sopra rappresentano il modo più rapido per ottenere misurazioni rilevanti. Allo stesso tempo, è necessario utilizzare un software di verifica dell’età appropriato, in grado di analizzare centinaia di scenari di invecchiamento, sia per le batterie nuove che per quelle vecchie.

Quali altri test sono necessari oltre ai test di invecchiamento

I controlli di qualità di routine per tutte le batterie agli ioni di litio sono i seguenti:

Controllo visivo: non dovrebbero essere presenti difetti visibili come graffi profondi, crepe, ruggine, scolorimento o perdite.
Controllo delle dimensioni: le dimensioni della batteria devono corrispondere al formato specificato.
Test di carica della batteria: viene eseguito mediante test di carica e scarica. Questo test non viene eseguito su ogni batteria, è possibile selezionare un campione rappresentativo di ciascun lotto di produzione. La carica standard prevede la carica a corrente costante di 0.5 C e anche la carica a tensione costante di 4.2 V con corrente decrescente, fermandosi infine a 50 mA. La scarica standard prevede la scarica ad una corrente costante di 0.2C, fino al raggiungimento di una tensione di 2.50V.
Test di carica/scarica ad alto consumo: questo test viene eseguito anche su un set rappresentativo di batterie di ciascun lotto di produzione. La velocità di ricarica in questo caso è a corrente costante di 0.5 C fino a una tensione di 4.20 V e una corrente finale di 50 mA. Le celle vengono quindi scaricate a corrente costante di 0.5 C fino a una bassa tensione di 2.50 V. Le celle vengono lasciate riposare per 10 minuti dopo la carica e 20 minuti dopo la scarica.
Durata del ciclo: le celle di test rappresentative vengono caricate e scaricate secondo il test ad alto consumo, per 500 cicli. Un ciclo è definito come una carica e una scarica. La potenza di scarica del 501esimo dovrebbe essere maggiore del 70% della potenza iniziale della batteria.
Test di conservazione: le celle campione vengono caricate alla velocità standard e conservate in un ambiente a temperatura controllata a 23ºC ± 2ºC per 30 giorni. Dopo la conservazione, le celle vengono scaricate alla velocità standard. La potenza residua dovrebbe essere superiore al 90% della potenza iniziale.
Test ad alta temperatura: le celle campione vengono caricate alla velocità standard e conservate in un ambiente a temperatura controllata a 60ºC per 1 settimana. Dopo lo stoccaggio, le celle vengono scaricate a velocità standard e quindi sottoposte a ciclo per 3 cicli per ottenere energia recuperata. Il recupero energetico dovrebbe essere superiore all'80%.
Test di caduta: le celle campione vengono caricate alla velocità standard e lasciate cadere su un pavimento di legno da un'altezza di 1.0 metri. Vengono eseguite 3 gocce in totale, di cui 2 gocce da ciascun terminale della cella e 1 goccia dal lato dell'involucro della cella. Non dovrebbero esserci perdite o aumenti di temperatura.