工業(yè)車輛鋰電池實(shí)際應(yīng)用中衰減的原因是什么？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-11 20:20
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技術(shù)以及工藝要求高
1.容量衰減：相當(dāng)于城市的生產(chǎn)總值下降了，可能是就業(yè)崗位減少，居住成本太高或居住環(huán)境劣化，以及就業(yè)人口流失。對(duì)應(yīng)的也就是正負(fù)極活性材料減少和可移動(dòng)的Li+減少。
2.內(nèi)阻增加：相當(dāng)于城市的工作效率低下，可能是政府行政阻力大，或是交通系統(tǒng)癱瘓導(dǎo)致員工上下班成本高，以及城市規(guī)劃不合理居住地和工作地越來(lái)越遠(yuǎn)。也就是電池歐姆阻抗增大，導(dǎo)電性能下降，Li+運(yùn)動(dòng)路徑劣化。
3.自放電大：相當(dāng)于城市失業(yè)人口比例上升，占用了城市的資源卻沒(méi)有創(chuàng)造效益。也就是Li+異常損耗，電池內(nèi)部微短路。
安全性衰減：要求好的質(zhì)量
1.內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)增大：隔膜受損破裂或受熱收縮。
2.機(jī)械形變和漏液：電池內(nèi)部產(chǎn)氣壓力導(dǎo)致電池變形破損。
通過(guò)上面的描述我們大致可以想象出導(dǎo)致電池衰減的原因，那么又是哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景導(dǎo)致了上述的情況發(fā)生呢？本篇主要來(lái)梳理一下電池的具體衰減場(chǎng)景和影響因素。
1.正負(fù)極材料脫落和老化
電池在不斷的充放電過(guò)程中正負(fù)極會(huì)不斷進(jìn)行收縮和膨脹變化，不可避免的會(huì)產(chǎn)生正負(fù)極材料在集流體上的脫落，使得可嵌入Li+的晶格數(shù)量下降，從而影響了電池容量。下圖是磷酸鐵鋰正極材料產(chǎn)生反應(yīng)的拓?fù)渥兓诔浞烹娺^(guò)程中正極材料發(fā)生LiFePo4和FePo4的轉(zhuǎn)化，由于整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好，不容易發(fā)生晶格塌陷的情況。但有些正極材料（如LCO）結(jié)構(gòu)容易被破壞，導(dǎo)致正極材料的活性物質(zhì)損失。
2. SEI膜分解與再生成質(zhì)量要求
在電池原理的介紹中提到電解液在化成過(guò)程中會(huì)和負(fù)極發(fā)生界面反應(yīng)，消耗一部分Li+形成SEI膜；這個(gè)SEI膜能起到保護(hù)電極的作用，理論上如果SEI膜足夠穩(wěn)定就能夠防止電解液與負(fù)極材料繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。但在實(shí)際中SEI膜或多或少會(huì)不斷的分解和再生成，在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)造成正負(fù)極材料、電解液、以及Li+的持續(xù)損失（這也是導(dǎo)致電池自放電的部分原因）。并且SEI膜的不斷增厚會(huì)造成負(fù)極表面擴(kuò)散孔道的堵塞，不利于Li+的擴(kuò)散，這也就導(dǎo)致了電池內(nèi)阻的不斷增大。
3.產(chǎn)生析鋰（過(guò)流、低溫）需要低溫加熱功能配置
當(dāng)電池超過(guò)可承受的倍率電流運(yùn)行的時(shí)候，大量的Li+來(lái)不及嵌入電極，導(dǎo)致在電極表面大量的Li+堆積，最終在電極表面形成了金屬鋰枝晶。這種情況尤其容易出現(xiàn)在低溫充電過(guò)程中，一方面在低溫環(huán)境下離子移動(dòng)嵌入速度本身就會(huì)大幅下降，另一方面Li+從正極脫出的速度比在負(fù)極嵌入的速度更快，因此在低溫環(huán)境控制充電電流尤為重要。除此之外電解液不均勻，水含量超標(biāo)等原因等可能導(dǎo)致析鋰問(wèn)題。
4.隔膜損傷（避免高溫）確保溫度均衡
首先電池電極表面一旦存在金屬鋰枝晶，則就有可能刺穿隔膜，引發(fā)正負(fù)極的短路。除此之外隔膜在高溫環(huán)境下會(huì)分解和收縮，這種情況下也會(huì)引起短路。而一旦正負(fù)極短路，那么電子就無(wú)需通過(guò)外部電路即可到達(dá)正極，那么電池的整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)就失控了，產(chǎn)生過(guò)流、過(guò)溫的現(xiàn)象從而進(jìn)一步損傷電池，并引起熱失控等更嚴(yán)重的問(wèn)題。圖片顯示實(shí)驗(yàn)室環(huán)境25度與45度使用下電池的壽命下降接近一倍。
5.電解液的損耗和分解（過(guò)壓、欠壓）
前面提到SEI膜的生成過(guò)程就會(huì)損失一部分的電解液，同時(shí)電池電解液的配方是根據(jù)該電池的電壓工作區(qū)間確定，因此不合理的使用電池（過(guò)壓欠壓）也會(huì)造成電解液的分解。例如當(dāng)電池過(guò)充時(shí)，即正極材料化合價(jià)升高（過(guò)多失去電子），此時(shí)正極材料還原性很強(qiáng)，就容易通過(guò)與電解液發(fā)生反應(yīng)來(lái)得到電子，反應(yīng)不僅消耗了電解液和正極材料，同時(shí)還會(huì)生成氣體引發(fā)機(jī)械形變和漏液的隱患。
6.集流體氧化（質(zhì)量要求）
集流體長(zhǎng)期和電解液接觸過(guò)程中會(huì)被氧化，正集流體表面形成的氧化鋁，負(fù)集流體表面形成氧化銅；隨著氧化程度的加劇，電子導(dǎo)通性能就收到影響，相當(dāng)于電池的歐姆阻抗隨著充放電循環(huán)會(huì)不斷的增大
工業(yè)車輛鋰電池實(shí)際應(yīng)用中關(guān)注點(diǎn)
1.防止低溫充電，鋰電池實(shí)驗(yàn)室的溫度通常在25度，低溫充電造成壽命縮短。尤其是長(zhǎng)江以地區(qū)在冬季中的使用，在購(gòu)買(mǎi)階段就要選購(gòu)自帶充電加熱功能的鋰電池。調(diào)整BMS參數(shù)讓其在零度以下環(huán)境中強(qiáng)行充電都是以犧牲電池質(zhì)量壽命為代價(jià)。
2.杜絕高溫使用，高溫環(huán)境影響使用壽命巨大，磷酸鐵鋰電池實(shí)際的使用溫度上限在55度左右，過(guò)高的溫度同樣需要犧牲壽命。鋰電池高溫來(lái)自內(nèi)部散熱平衡及外部熱源。對(duì)于工廠來(lái)自技術(shù)的支持主要采用方法。調(diào)整BMS參數(shù)讓其在55以上環(huán)境中強(qiáng)行充電都是以犧牲電池質(zhì)量壽命為代價(jià)。
內(nèi)部工藝
1.電芯單體采用鋁殼加強(qiáng)散熱性能，選用一致性最好的電芯配組，棄用內(nèi)阻大的垃圾電芯。
2.激光焊接模的組表面是整面的鋁板多點(diǎn)焊接工藝，相對(duì)于落后的螺絲銅條的連接既防止了大電流連接不良的安全風(fēng)險(xiǎn)又確保了大面積鋁板的散熱效果。
3.箱體內(nèi)部水循環(huán)散熱設(shè)計(jì)部分汽車工藝要求（最好的技術(shù)）。
4.部分廠家采取加裝風(fēng)扇的附屬裝置，這種工藝的不足之處在于犧牲電池的基本防水要求。安全性能得不到保證，同時(shí)開(kāi)放的空間加上外部空氣流入流出很容易讓電芯表面形成厚厚的灰塵反而無(wú)法起到散熱的作用，如果外部熱源高于內(nèi)部更是熱上加熱。
手工軟連接形成模組工藝 螺絲 銅片 溫控傳感器 （散熱面積小 防震動(dòng)差）
外部熱源
1.避免陽(yáng)光下直接爆曬，夏日直曬下表面溫度會(huì)超過(guò)55度，導(dǎo)致保護(hù)性停機(jī)
2.避免鋰電池附近的液壓油及電機(jī)使用問(wèn)題高溫形成熱源過(guò)高溫度保護(hù)性停機(jī)。
3.隔絕熱源鋰電池采取多種設(shè)計(jì)與熱源隔絕，車體之間避免直接熱傳導(dǎo)。
