Qual é o objetivo do teste de envelhecimento da bateria de lítio?

Se você mantém um estoque de emergência de baterias não utilizadas em casa, pode ter descoberto, na hora de necessidade, que algumas delas precisam ser consertadas. No mundo das baterias de íon de lítio, velho não é ouro! Tal como os seres humanos, as baterias perdem a sua capacidade com a idade. Assim como a esperança de vida dos seres humanos depende da sua saúde, o envelhecimento das baterias de iões de lítio depende do seu Estado de Saúde (SoH). Os testes de envelhecimento são usados para avaliar o SoH da bateria e prever sua vida útil.

Antes de nos aprofundarmos no assunto dos testes de envelhecimento, vamos entender um pouco mais sobre o envelhecimento das baterias. A Figura 1 ilustra o padrão típico de envelhecimento observado em baterias de íon-lítio.

O padrão de envelhecimento apresenta três fases. A primeira fase, denominada “estabelecimento inicial” apresenta um ligeiro aumento de capacidade, mesmo com a bateria em uso. Esta pode ser a contribuição de íons extras de lítio estacionados na estrutura do ânodo, além da área do eletrodo ativo, conhecida como saliência de lítio. A próxima fase de envelhecimento mostra uma taxa linear de diminuição da capacidade. A bateria começa a esgotar-se mais rapidamente do que quando estava nova, mas de forma gradual. A fase final da perda de capacidade ocorre no “ponto de joelho”, que pode ocorrer entre 50 e 85 por cento da capacidade inicial. Nesta fase, a taxa de declínio da capacidade é muito acentuada e a vida útil da bateria termina.

As duas principais formas de envelhecimento são o envelhecimento calendárico e o envelhecimento cíclico. O envelhecimento do calendário ocorre mesmo quando a bateria não está sendo usada. Depende da temperatura e do estado de carga (SoC). Em temperaturas mais altas, a bateria envelhece mais rápido. Da mesma forma, uma bateria mantida constantemente com um SoC alto terá uma vida útil mais curta do que uma bateria normalmente operada com um SoC mais baixo.

O envelhecimento cíclico ocorre devido ao uso da bateria. Isso se deve à deterioração química e física irreversível das estruturas internas da bateria durante cada ciclo de carga e descarga. A profundidade de descarga (DoD) durante cada ciclo é um fator importante. Descargas profundas em cada ciclo causam envelhecimento acelerado. Portanto, a DoD deve ser mantida dentro de limites moderados. Isso é ilustrado na Figura 2.

A idade da bateria é algo que os usuários gostariam de monitorar. No entanto, durante o uso, não é prático acompanhar as variáveis de envelhecimento das células, como número de ciclos, SoC, DoD e temperatura operacional. O melhor momento para realizar testes de envelhecimento é quando a bateria é nova e pronta para ser embalada na fábrica. Os testes de envelhecimento da bateria são, portanto, realizados principalmente na fábrica, para garantia de qualidade. Depois que as baterias forem vendidas, alguns clientes poderão optar por fazer testes específicos com base em suas necessidades, como para veículos elétricos ou baterias de armazenamento. Nas seções a seguir, você aprenderá sobre os testes de envelhecimento da bateria que devem ser realizados na fábrica, quando as baterias forem novas.

Qual é o teste de envelhecimento

O teste de envelhecimento é um teste de duração limitada para avaliar o desempenho e as características de envelhecimento de uma bateria sob condições controladas. Diferentes condições operacionais são impostas às amostras de teste e a vida útil esperada é estimada. As práticas de teste variam em diferentes países e entre fabricantes. A metodologia geral consiste em empregar técnicas de envelhecimento acelerado, juntamente com modelos de software que possam traduzir os dados de teste para caracterizar os parâmetros de envelhecimento. O uso de modelos de software é necessário, pois o teste de envelhecimento deve ser capaz de prever a vida útil da bateria em vários cenários.

Mas como acelerar o envelhecimento da bateria para fins de teste? Isso é feito colocando a bateria sob maior estresse durante o teste.

Por exemplo, a temperatura elevada acelerará o envelhecimento do calendário. O envelhecimento cíclico pode ser acelerado pela manipulação dos ciclos de carga e descarga, para diferentes DoD, taxas de carga e descarga (taxas C).

Objetivo do teste de envelhecimento

O teste de envelhecimento da bateria é uma etapa de controle de qualidade. Ele fornece uma base científica para especificar a vida útil esperada e o ciclo de vida de uma bateria.

Importância do teste de envelhecimento da bateria

Os consumidores precisam ter confiança de que as novas baterias terão um desempenho satisfatório durante a vida útil esperada. Ninguém quer comprar uma bateria embalada como nova, mas que está no fim de sua vida útil. Esta é uma ocorrência comum com baterias de íon de lítio de qualidade mais barata. Portanto, os testes de envelhecimento da bateria são importantes, pois fornecem a garantia de qualidade necessária na expectativa de vida.

Quais são as formas de teste de envelhecimento da bateria

Os testes de envelhecimento da bateria para controle de qualidade do lote na fábrica devem ser rápidos e precisos. Amostras representativas de cada lote de produção devem ser testadas. Embora as medições de teste necessárias possam ser obtidas facilmente, prever a vida útil da bateria com base nos dados é complexo. Modelos de software sofisticados são usados para esse fim.

Nesta seção, analisamos os testes de baterias de íon de lítio para o mercado consumidor de uso geral. Os testes exigidos para usuários de baterias automotivas e industriais de grande porte serão mais rigorosos e levarão várias semanas e até meses. Esses testes especializados de envelhecimento não são discutidos aqui.

Uma bateria nova e não utilizada perde capacidade gradualmente devido ao envelhecimento do calendário, dependendo da temperatura e do SoC. Depois que a bateria entra em serviço ativo, o envelhecimento é grandemente influenciado por fatores dinâmicos variáveis que não podem ser reproduzidos de forma confiável nas configurações de fábrica. Portanto, para aplicações normais de consumo, o teste de envelhecimento da bateria é projetado para medir o desvanecimento da capacidade. O teste de envelhecimento tem três etapas conforme descrito abaixo:

A primeira etapa envolve a medição básica da capacidade da bateria. Essas medições são feitas em temperaturas que representam possíveis condições de armazenamento, normalmente 25 ^oC e 45 ^o
Na segunda etapa, as baterias são submetidas a um envelhecimento acelerado.
O desbotamento da capacidade é induzido por ciclos repetidos de carga e descarga de corrente constante e tensão constante. A taxa C também é alterada de alta para baixa. Por exemplo, a sequência de ciclos para um lote de teste de baterias de íon de lítio 18650 poderia ser a seguinte:
- Carregue a uma corrente constante (CC) de C/3 até uma tensão de corte de 4.2 V, seguida por um passo de tensão constante (CV) de 4.2 V até que a corrente de carga caia para 0.1 A.
- Dê um período de descanso de 1 minuto
- Execute a descarga em uma corrente constante, normalmente 1C para descarga normal e 4C ao fazer testes de alta descarga. A corrente constante deve ser mantida até que a tensão caia para 2.5V.
- Dê um período de descanso de 1 minuto
- Repita a sequência acima 30 vezes na taxa 1C e 40 vezes na taxa 4C.
A terceira etapa envolve a repetição das medições de capacidade para cada bateria. Suas medições repetidas são chamadas de Teste de Desempenho de Referência (RPT). A mudança na capacidade indica o quanto a bateria se deteriorou devido ao envelhecimento.
Depois disso, modelos de software são usados para analisar os dados e fazer previsões sobre a vida futura da bateria.

A bancada de teste de envelhecimento consiste em máquinas de teste climatizadas com vários canais de teste de bateria, um para cada célula. Tudo está conectado a computadores que processam os dados antigos

A Figura 3 mostra uma máquina típica de teste de idade de bateria de íon de lítio para uso normal de fábrica.

Por que é necessário fazer o teste de envelhecimento depois que a bateria foi categorizada e dividida?

O teste de envelhecimento é feito após a conclusão da fabricação, pois o consumidor vai comprar apenas o produto acabado. Portanto, as amostras de teste já devem estar segregadas nas respectivas categorias de vendas.

Como determinar rapidamente o grau de envelhecimento da bateria de lítio?

Os testes de capacidade mencionados acima são a maneira mais rápida de obter medições relevantes. Ao mesmo tempo, deve ser utilizado um software de teste de idade adequado, que possa analisar centenas de cenários de envelhecimento, tanto para baterias novas como para baterias antigas.

Quais outros testes são necessários além dos testes de envelhecimento

As verificações de controle de qualidade de rotina para todas as baterias de íon de lítio são as seguintes:

Verificação visual: Não deve haver defeitos visíveis, como arranhões profundos, rachaduras, ferrugem, descoloração ou vazamento.
Verificação de dimensão: As dimensões da bateria devem corresponder ao formato especificado.
Teste de energia da bateria: Isso é feito por meio de testes de carga e descarga. Este teste não é feito em todas as baterias; um tamanho de amostra representativo de cada lote de produção pode ser selecionado. A carga padrão envolve o carregamento em corrente constante de 0.5C e também o carregamento em tensão constante de 4.2V com corrente gradual, parando finalmente em 50 mA. A descarga padrão envolve a descarga a uma corrente constante de 0.2C, até que uma tensão de 2.50V seja atingida.
Teste de carga/descarga de alto consumo: Este teste também é feito em um conjunto representativo de baterias de cada lote de produção. A taxa de carregamento, neste caso, é em corrente constante de 0.5C até tensão de 4.20V e corrente final de 50mA. As células são então descarregadas em corrente constante de 0.5C até uma baixa tensão de 2.50V. As células ficam em repouso por 10 minutos após a carga e 20 minutos após a descarga.
Ciclo de Vida: As células de teste representativas são carregadas e descarregadas de acordo com o teste de alto consumo, por 500 ciclos. Um ciclo é definido como uma carga e uma descarga. A potência de descarga da 501ª deve ser superior a 70% da potência inicial da bateria.
Teste de armazenamento: As células de amostra são carregadas à taxa padrão e armazenadas em ambiente com temperatura controlada a 23ºC ± 2ºC por 30 dias. Após o armazenamento, as células são descarregadas à taxa padrão. A potência residual deve ser superior a 90% da potência inicial.
Teste de alta temperatura: As células de amostra são carregadas na taxa padrão e armazenadas em um ambiente com temperatura controlada a 60ºC por 1 semana. Após o armazenamento, as células são descarregadas à taxa padrão e depois submetidas a ciclos de 3 ciclos para obter energia recuperada. A recuperação de energia deve ser superior a 80%.
Teste de queda: As células de amostra são carregadas a uma taxa padrão e deixadas cair sobre um piso de madeira a uma altura de 1.0 metro. São realizadas um total de 3 gotas, compreendendo 2 gotas de cada terminal da célula e 1 gota da lateral do invólucro da célula. Não deve haver nenhum vazamento ou aumento de temperatura.