锂离子电池循环寿命影响因素及预测

2021-09-15  来自: 中科热控(福建)智能科技有限公司 浏览次数:50

锂离子电池由于其能量密度高、无记忆效应、自放电小且循环寿命长而在各个范畴得到普遍运用,如电子产品、电开工具、电动汽车以及储能范畴等。电池的性能总体可分为电性能和牢靠性两大类,寿命是权衡其电性能的重要指标之一。

锂电池

关于能量型电池,普通以为电池的可用容量衰减到初始容量的80%时,即为寿命终止。电池的寿命包括循环寿命和日历寿命,前者是指电池以充放电制度停止循环至寿命终止时的循环次数, 后者是指电池在某个状态下存储至寿命终止时所需的时间。

锂电池在充放电过程中会发作很多复杂的物理及化学反响, 因而影响锂电池循环寿命的要素有很多。另一方面,循环寿命测试常常耗时长且本钱高, 电池寿命的正确评价对锂电池的消费开发及电池安康管理系统有指导作用。

一、循环寿命的影响要素

1电池资料的老化衰退

锂电池内部的资料主要包含:正负极活性物质、粘结剂、导电剂、集流体、隔阂以及电解液。锂电池在运用过程中,这些资料会衰退和老化。唐致远等以为,锰酸锂电池容量衰减要素有:正极资料的溶解、电极资料的相变化、电解液合成、界面膜的构成和集流体腐蚀等。

Aurbach等拆解了钴酸锂电池在25和40℃温度条件下循环后的正负极极片,SEM、XRD 和FTIR测试结果标明正负极活性资料均有损失。李杨等对循环6000次的磷酸铁锂动力电池的电性能停止剖析,其容量坚持率为84.87%,交流内阻上升18.25%,直流内阻上升 66%。作者将循环后的电池停止拆解,分别停止扣式电池性能测试和SEM剖析,发现负极资料在循环后的性能衰减较快,并以为负极体积的收缩、SEI膜的增厚是主要影响要素。

2 充放电制度

充放电制度主要包括充放电方式、倍率和截止条件等三个方面。在充电方式上,美国科学家马斯曾经提出充电曲线的观念,他以为电池的充电电流随着充电时间的延长而逐步减小:I=I0e-αt。式中:I为可接纳充电电流;I0为t=0时辰的初始电流;t 为充电时间;α 为衰减常数。

何秋生等将常见的几种充电办法做了比照,发现恒流充电在后期由于电流过大,使电池内部析气,损伤电池;而恒压充电在充电初期电流过大,直接伤害电池;恒流恒压充电以及阶梯恒流充电法克制了恒流充电和恒压充电的缺陷,目前普遍运用;反脉冲充电能够有效地消弭极化,但是对寿命有影响。

充放电倍率和截止条件对电池循环寿命也有很大的影响。李艳等研讨了18650型号的钴酸锂电池在不同放电倍率下的循环性能,发现以0.5C,1C和2C放电倍率循环300周后的容量损失率分别为10.5%,14.2%和18.8%,并经过剖析得出:正极资料构造的改动和负极外表膜增厚会招致锂离子数量的减少及扩散通道阻塞,从而惹起电池容量衰减。

3 温度

不同品种的锂电池有不同的运用温度,过高或过低的温度都会对电池的运用寿命产生影响。Ramadass等报道了温度对Sony 18650钴酸锂电池循环性能的影响,研讨发现当实验温度超越50℃后,电池的衰减明显较常温和45℃快很多,并将高温下的容量衰减归因于电池负极 SEI 膜的合成再生,活性锂的损失以及负极阻抗的增加。

宋海申等比照了18650型磷酸铁锂/石墨动力电池在不同温度下的电性能,也得出相似的结果:在常温下循环,电池的容量衰减较为迟缓,而在55和65℃高温条件下,电池表现出很快的失效行为。作者以为石墨负极上堆积的微量铁会催化其界面膜的生成,对容量衰减有影响。

Zhang等研讨了低温下的锂电池性能,发现当温度低于-10℃时,电池的容量急剧衰减,并剖析了低温性能差的缘由除了电解液的离子电导率降低以外,还与电极资料有关。作者比照了全电池以及正负极对称电极的EIS随温度的变化曲线,发现当温度低于-10℃以后,全电池和半电池的阻抗都有上升趋向,特别是电荷转移阻抗会骤升,并占领主导位置。

4 单体分歧性

电池组普通都是将成百上千只单体电池串并联,其循环寿命除了上述影响要素以外,单体分歧性是另一重要要素。由于资料及制造工艺的差异,锂电池的单体分歧性很难保证。在资料方面,正负极资料和电解液的平均性很重要,同种资料、同批次消费的锂电池分歧性常常相对较好。 在制造方面,锂电池的消费流程很复杂, 其中的每个步骤会触及到多个工艺参数,假如控制不好会招致电池的电压、容量、内阻等参数的不分歧性。

陈强等基于Thevenin等效电路调查了单体电池的欧姆电阻、容量以及极化差别性对串联电池组的性能影响,发现容量差别的影响很大。

电池在实践成组应用之前,会经过挑选配组过程,剔除性能参数差别较大的单体,将电池的制造过程中产生的差别对运用性能的影响降到低。电池普通是依照电池的容量、电压、内阻以及自放电等参数停止配组,但是电池的自放电快速检测是研讨难点。单体电池的自放电会招致电池组内各电池SOC不分歧,影响整个电池组容量的发挥。普通来说,温度越高,电池的自放电越大。电池组箱体假如设计的不合理,处于不同位置的电池由于散热差别, 内阻和自放电水平都会遭到影响。


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