Levetidstest af Li-ion batterier til nano-satellitter

Af Trine Nybo Lomholt og Kim A. Schmidt

De mange forskellige metoder, man kan bruge til en levetidsestimering, har hver deres fordele og ulemper. I denne artikel præsenterer vi en case med et levetidsstudie baseret på fysisk test af 2 typer batterier til en given anvendelse, nemlig som en vigtig del af strømforsyningen i en nano-satellit på få kg. 

Satellitten har en rotationstid rundt om jorden på 90-100 minutter. Når satellitten er i solen, bliver batterierne ladet op af strøm fra solpanelerne, da batterierne skal sørge for strøm (= bliver afladede), når satellitten er i jordens skygge. Op- og afladningen foregår derfor i en cyklus på 90-100 minutter med strømme og spændinger efter nogle specifikke mønstre. Man ønsker at kunne dokumentere en levetid på 5 år svarende til 26.500 op- og aflade cykler.

I det aktuelle tilfælde blev det valgt at følge den såkaldte CALT-metode (Calibrated Accelerated Life Test), beskrevet i GMW 8758, da denne metode giver fornuftige konfidensintervaller med relativ få testemner samtidig med en kontrolleret samlet testtid. Der kan findes mere info om CALT inkl. en case i SPM-181.

Udvælgelse af parametre til testen

Mange faktorer har indflydelse på et batteris levetid, så for at fokusere opgaven på få, men vigtige parametre, blev det valgt at køre testen med den faktiske op- og afladningsprofil og bruge omgivelsestemperaturen som den primære variable stressfaktor. 

En CALT udføres, indtil testemnerne fejler. I den aktuelle case blev en fejl defineret, som når batteriet ikke længere kunne op- og aflades indenfor de givne grænser for spænding og strøm. Et komplet afbrudt batteri ville naturligvis også betegnes som en fejl, men det blev ikke tilfældet i denne case.

De 2 aktuelle batterier i testen er vist på foto 1. Der er tale om et batteri fra LG og et fra Sanyo. Deres kapacitet er på henholdsvis 3000 og 4000 mAh. I databladene er der ’kun’ opgivet en levetid på mere end henholdsvis >300 cycles og >500 cycles, altså langt fra de ønskede 26.500 cykler. Den længere levetid forventes opnået ved at undlade at bruge batterierne så langt ud til de grænser for op- og afladning, der er beskrevet i databladene.

Resultaterne af testen

Den udførte CALT-test gav testresultater i form af ’tid-til-fejl’ ved temperaturer på +125°C, +110°C, +100°C, +90°C og +80°C. Alle de testede batterier fejlede på samme måde, nemlig ved at de godt kunne afgive en spænding, hvis de ikke blev belastet, men at de ikke kunne afgive eller modtage strøm.

Resultaterne udsættes for en Weibull-analyse af levetid som funktion af temperatur (angivet som Kelvin) med en Arrhenius accelerationsmodel, idet denne passer godt med kemisk degradering på grund af temperatur.

Figur 1 og 2 viser resultatet af levetidsanalysen for LG- og Sanyo-batterierne. Den midterste af de grønne linjer er den estimerede kurve, og de 2 grønne linjer på hver sin side af denne angiver 50 % konfidensintervallet. Når denne kurve kendes, kan man finde den aktuelle levetid ved at summere levetiden for hver af de temperaturintervaller, batterierne udsættes for under drift inde i satellitten ude i rummet.

De testede batterier blev udsat for ikke-destruktive røntgenanalyser samt destruktive mikroskopi-undersøgelser. Røntgenanalyserne kunne bl.a. bruges til at konkludere, at høj temperatur gav afbøjning af kobberelektroden i midten af batteriet (se figur 3). 

Scanning elektron mikroskopi (SEM) blev anvendt til at karakterisere elektrodeoverflader. Et eksempel er vist i figur 4, hvor overfladen af kobberelektroden forandres tydeligt i form af tillukning af porer og dannelse af små krystaller i overfladen. Det er meget typisk, at der sker irreversible ændringer af elektrodeoverfladerne efter anvendelse, og karakteriseringen kan bruges til at vurdere graden af nedbrydning af de testede batterier. 

Konklusion på test og analyse

De udførte test og analyser viser, at det i denne case var muligt at opnå data til levetidsanalyser på batterier til en specifik mission ved brug af CALT-metoden med temperatur som den primære stressfaktor. De efterfølgende udførte skadesanalyser demonstrerer, at røntgen er effektiv til at finde fysiske ændringer uden at destruere testemnerne, og at SEM-analyse af elektrodeoverfladerne kan bruges til at vurdere graden af nedbrydningen. 

Artiklen har været i SPM Magasinet, august 2020.