Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules à énergie nouvelle en raison de leur haute densité d'énergie, de leur haute densité de puissance et de leurs faibles caractéristiques d'autodécharge. Cependant, la durée de vie de la batterie peut difficilement répondre aux besoins des utilisateurs, ce qui limite le développement ultérieur des véhicules électriques. Par conséquent, le mécanisme de vieillissement de la batterie et l'effet de la dégradation de la batterie doivent être pris en compte lors de l'optimisation de la conception et de la gestion de la batterie.

Du point de vue de la conception de la batterie : Au niveau de la batterie, le mécanisme de vieillissement et le modèle de désintégration de la batterie doivent être étudiés, en particulier les paramètres clés de la batterie et l'impact d'autres paramètres clés (tels que la densité d'énergie et la densité de puissance) sur la batterie doit également être discutée. Les paramètres clés notés ici comprennent l'épaisseur, la porosité, la taille des particules, la taille des cellules, la forme des cellules, etc. des matériaux actifs d'anode et de cathode. Ces paramètres peuvent être optimisés sur la base d'algorithmes d'optimisation multi-objectifs pour concevoir de meilleures batteries. Au niveau du système de batterie, les mécanismes de vieillissement de la batterie et les modèles de dégradation sont également très importants. L'impact des facteurs électriques, mécaniques et/ou thermiques sur la durée de vie de la batterie doit être analysé sur la base des mécanismes de vieillissement et des modèles de dégradation.

Du point de vue de la gestion de la batterie, les mécanismes de vieillissement de la batterie et les modèles de dégradation sont importants pour l'évaluation de la santé de la batterie (influencée par l'utilisation passée et les conditions de fonctionnement actuelles) et la prédiction des performances.

(1) D'une manière générale, l'estimation de l'état de santé des batteries usagées est également appelée State Health Assessment (SOH). Généralement, les performances de la batterie (telles que la capacité utilisable, l'énergie utilisable et la puissance utilisable) se dégradent avec l'âge de la batterie. Par conséquent, le BMS (système de gestion de batterie) doit estimer le SOH de la batterie en fonction du mécanisme de vieillissement de la batterie et du modèle de désintégration de la batterie. Ce résultat a une valeur de référence importante pour d'autres algorithmes d'estimation dans BMS. Selon les résultats du SOH, la batterie peut être utilisée raisonnablement sans abus ni accidents de sécurité.
(2) En général, l'optimisation de l'état de fonctionnement actuel passe par l'évaluation du SOP (State of Power) et la gestion thermique. Bien sûr, différentes conditions de fonctionnement ont des effets différents sur la durée de vie future de la batterie. Par conséquent, sur la base du mécanisme de vieillissement dans différentes conditions de travail et du modèle de dégradation de la batterie correspondant, BMS peut prédire les dommages de la batterie dans différentes conditions de travail. Ensuite, sur la base de l'analyse de la durée de vie et des performances de la batterie, à l'aide d'une méthode d'optimisation en ligne, le BMS peut coordonner l'état de charge-décharge et la température de la batterie.
(3) Habituellement, la prédiction des performances futures signifie la prédiction de la RUL (Remaining Useful Life). RUL est très utile pour la gestion en ligne des batteries, l'évaluation des voitures d'occasion et l'utilisation en cascade des batteries, en particulier l'évaluation de la valeur résiduelle des batteries. Compte tenu des caractéristiques d'évanouissement non linéaires des batteries, les méthodes d'extrapolation traditionnelles ne peuvent pas prédire avec précision la durée de vie restante des batteries. Il est nécessaire d'obtenir des prédictions fiables basées sur les principaux mécanismes de vieillissement de différents états de décroissance dans différentes conditions de fonctionnement et les modèles de durée de vie de la batterie correspondants.

Du point de vue du système, on peut voir que pour résoudre une série de problèmes de conception et de gestion de batterie liés au vieillissement de la batterie, il est nécessaire d'examiner, de résumer et d'analyser l'état actuel de la recherche sur le vieillissement de la batterie, y compris les facteurs d'influence, les mécanismes de vieillissement , modèles de vieillissement et méthodes de diagnostic. Cependant, les articles de synthèse existants se concentrent principalement sur un point typique.

Le cycle de vie de la batterie comprend la conception, la production, l'application EV et l'utilisation secondaire de la batterie. La dégradation des performances de la batterie doit être prise en compte dès les premières étapes de conception de la batterie. A différents stades, le phénomène de dégradation et le mécanisme de vieillissement interne de la batterie peuvent être très différents.

Ce document fournit un examen complet des principaux problèmes de dégradation de la batterie du point de vue du système, y compris les aspects suivants : mécanisme de vieillissement interne de la batterie et caractéristiques externes, analyse des facteurs affectant la durée de vie de la batterie du point de vue de la conception, de la production et de l'application, modèle de dégradation de la batterie, Mécanismes et modèles de vieillissement des batteries.

En règle générale, l'analyse du vieillissement de la batterie doit être effectuée à partir de plusieurs aspects tels que les facteurs d'influence, les réactions secondaires internes, les modes de vieillissement et les influences externes, comme le montre la figure 3. Les caractéristiques externes les plus intuitives de l'évanouissement de la batterie sont l'évanouissement de la capacité et/ou disparaître. À l'heure actuelle, la plupart des articles se concentrent encore sur ces deux points pour faire de la recherche et de la modélisation sur le vieillissement des batteries. Typiquement, l'atténuation de puissance est plus difficile à étudier et est remplacée par l'étude de l'impédance interne.

En ce qui concerne le mode de déclin de la batterie, pour la gestion de la batterie et le diagnostic en ligne, le mécanisme de vieillissement de la batterie peut être résumé comme suit : Perte de stockage lithium-ion (LLI) et perte de matière active anode/cathode (LAM). Le modèle à deux boîtes peut décrire le mécanisme de vieillissement correspondant. D'une manière générale, le processus de charge-décharge d'une batterie est intrinsèquement lié à l'insertion et au délaminage des ions lithium sur les matériaux actifs positifs et négatifs. Par conséquent, la capacité de la batterie est directement déterminée par la quantité de matière active et le nombre d'ions lithium disponibles. Le matériau actif est comme un réservoir d'eau et les ions lithium sont comme l'eau dans le réservoir, comme le montre la figure 4. Ainsi, les principaux mécanismes de vieillissement des batteries Li-ion sont LAM (qui est comme des changements dans le réservoir lui-même) et LLI (qui est comme une perte d'eau dans le réservoir). De plus, le mode de décroissance de la batterie comprend également une augmentation de la résistance interne (RI) et une perte d'électrolyte (LE). L'augmentation de la résistance interne entraînera directement l'atténuation de la puissance de la batterie, et la capacité disponible de la batterie diminuera également. La perte d'électrolyte est également un mode de décomposition très important. Une petite quantité de perte d'électrolyte a peu d'effet sur les performances de la batterie, tandis qu'une perte excessive d'électrolyte peut directement entraîner une chute soudaine de la capacité. L'augmentation de la résistance interne entraînera directement l'atténuation de la puissance de la batterie, et la capacité disponible de la batterie diminuera également. La perte d'électrolyte est également un mode de décomposition très important. Une petite quantité de perte d'électrolyte a peu d'effet sur les performances de la batterie, tandis qu'une perte excessive d'électrolyte peut directement entraîner une chute soudaine de la capacité. L'augmentation de la résistance interne entraînera directement l'atténuation de la puissance de la batterie, et la capacité disponible de la batterie diminuera également. La perte d'électrolyte est également un mode de décomposition très important. Une petite quantité de perte d'électrolyte a peu d'effet sur les performances de la batterie, tandis qu'une perte excessive d'électrolyte peut directement entraîner une chute soudaine de la capacité.

À l'intérieur de la batterie, ces modes de désintégration sont causés par certains effets secondaires physiques ou chimiques internes, et les effets secondaires liés au vieillissement sont très complexes. La LAM peut être causée par les facteurs suivants : exfoliation du graphite ; dissolution des métaux et décomposition des électrolytes ; perte de contact de la matière active due à la corrosion du collecteur de courant et à la décomposition du liant. La formation de LLI peut être liée à la formation et à l'épaississement continu du film SEI (interface électrolyte solide), à ​​la formation de CEI (interface électrolyte cathodique), au dépôt d'ions lithium et à d'autres facteurs. La formation de LE peut être due à la consommation d'électrolyte causée par des réactions secondaires telles que l'épaississement du film SEI et la décomposition électrolytique induite par un potentiel élevé. Alors que RI peut être causé par la formation et l'épaississement continu de SEI et LE, etc.

Les résultats montrent que de nombreux facteurs affectent les réactions secondaires à l'intérieur de la batterie, notamment la conception de la batterie, la production et les conditions de travail. Ces facteurs affecteront le taux de réactions secondaires à l'intérieur de la batterie, affectant ainsi les caractéristiques de durée de vie de la batterie.