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研究生:周伯彥
研究生(外文):Bo-Yen Chou
論文名稱:鋰硫電池生命週期內之可靠度分析
論文名稱(外文):Reliability Analysis of Lithium-Sulfur Batteries in Their Life Cycles
指導教授:吳文方
指導教授(外文):Wen-Fang Wu
口試委員:洪一薰黃奎隆
口試委員(外文):I-Hsuan HongKwei-Long Huang
口試日期:2015-06-18
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:工業工程學研究所
學門:工程學門
學類:工業工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:鋰硫電池健康狀態退化殘餘壽命馬可夫過程可靠度分析
外文關鍵詞:Lithium-Sulfur BatteryState of HealthDegradationRemaining LifeMarkov ProcessReliability Analysis
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本論文旨在建立一個考慮不確定性、以可靠度為基礎的數學模型來描述數種鋰硫電池的退化現象,文中,首先提出一具有四種狀態的馬可夫過程模型,以描述擁有不同正極(如石墨、金屬氧化物及金屬)鋰硫電池電容量隨充放電次數下降的趨勢,讓我們能以馬可夫矩陣模擬並瞭解鋰硫電池電容量的衰退機制以及充放電時的變異情況。而後,本論文依據該模型分析電池的壽命分佈、可靠度、變異數及保固情形等,以量化可靠度觀點,求得電池在任意時間的失效機率。本論文透過數值分析發現,所建構的馬可夫模型確可廣泛描述各種鋰硫電池的可靠度。本論文除以上分析外,也以馬可夫模型佐證他人研究所言「金屬物質於正極與硫化物作用可強化鋰硫電池壽命」,尤其以鎳基板做為正極,確實能夠成功限制電子內部多硫化物的產生,延長鋰離子於活躍狀態時間,進而延長鋰硫電池壽命。


The purpose of this research is to utilize reliability engineering theory to investigate the effects of uncertain factors on the degradation of lithium-sulfur batteries. A Markov process model is constructed to describe the capacity and capacity degradation of the battery and evaluate the distribution of its remaining life. A four-state model is found to be able to describe the fading curves of most lithium-sulfur battery systems having different cathode materials. It gives detailed insights into the fading mechanisms of lithium sulfur cells. The model is then used for the analysis of life distribution and reliability of the battery based on test or observed data. A warranty analysis of the battery is also presented. It is found that the proposed Markov model is able to describe the reliability of various kinds of lithium-sulfur battery. It is also verified through the model that metal oxide has a positive effect for lithium-sulfur batteries with regard to their lives.


中文摘要 ii
ABSTRACT iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章、緒論 1
1.1 背景 1
1.2 研究方法 2
1.3 研究目的 3
1.3 論文架構 3
第二章、鋰電池相關理論概述與文獻回顧 5
2.1 電池專有名詞解釋 5
2.2 鋰電池發展概況與比較 9
2-3 鋰電池工作原理與特性 12
2.4 鋰硫電池 14
2-5 文獻回顧 16
2-6 小結 18
第三章、可靠度與馬可夫過程概論 19
3.1 可靠度相關理論 19
3.2 可靠度簡介 20
3.3 可靠度數理概論 21
3.4 系統可靠度 25
3.5 馬可夫過程簡介 25
3.6 馬可夫模型之特殊性質 27
第四章、馬可夫過程模型建構 28
4.1 馬可夫模型建構 29
4.2 轉移矩陣與應用 30
4.3 電容量平均之不確定性 31
第五章 各類別鋰硫電池特性探討 32
5.1 馬可夫模型參數模擬 32
5.2 電池電容量下降曲線與變異數分析 33
5.2.1 傳統鋰硫電池(LS)充放電之衰退曲線 33
5.2.2 石墨骨架-鋰硫電池(Co)充放電之衰退曲線 35
5.2.3 二氧化鈦-鋰硫電池(TiO2)充放電之衰退曲線 37
5.2.4 鎳基板-鋰硫電池(Ni)充放電之衰退曲線 39
第六章 各類別鋰硫電池可靠度分析 41
6.1 概念介紹與可靠度定義 41
6.2定義電池健康狀況低於80%為失效下可靠度分析 43
6.2.1鋰硫電池(LS)可靠度分析 44
6.2.2鋰硫電池(CO)可靠度分析 45
6.2.3鋰硫電池(TiO_2)可靠度分析 46
6.2.4鋰硫電池(Ni)可靠度分析 47
6.3其它常見失效標準可靠度分析 48
6.4 各類別鋰硫電池之失效分析 49
6.4.1鋰硫電池(LS)於不同q時可靠度曲線 49
6.4.2鋰硫電池(CO)於不同q時可靠度曲線 50
6.4.3鋰硫電池(TiO_2)於不同q時可靠度曲線 50
6.4.4鋰硫電池(Ni)於不同q時可靠度曲線 51
第七章 保固週期 52
7.1 電池健康至失效充放電次數 52
7.2 固定週期下,電池電容量保固區間 53
第八章 貢獻與結論 56
8.1 本論文主要貢獻 56
8.2 結論 57
參考文獻 58
附錄 62



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