鋰電池循環(huán)壽命的影響因素主要有哪些
來源：寶鄂實業(yè)
2019-11-23 19:12
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1 電池材料的老化衰退
鋰電池內部的材料主要包含：正負極活性物質、粘結劑、導電劑、集流體、隔膜以及電解液。鋰電池在使用過程中，這些材料會伴隨著一定程度的衰退和老化。唐致遠等認為，錳酸鋰電池容量衰減因素有：正極材料的溶解、電極材料的相變化、電解液分解、界面膜的形成和集流體腐蝕等。
Vetter等分別對電池的正極、負極及電解液在循環(huán)中的變化機理進行了系統(tǒng)深入的分析。作者認為負極SEI膜的形成和后續(xù)生長會伴隨著活性鋰的不可逆損失，而且SEI膜并不具備真正的固體電解質功能，除了鋰離子以外，其他物質的擴散和遷移會導致氣體產(chǎn)生和顆粒破裂。 此外，循環(huán)過程中材料體積的變化和金屬鋰的析出也會導致容量損失。 對正極材料老化衰退的影響如圖1所示。
Aurbach等拆解了鈷酸鋰電池在25和40℃溫度條件下循環(huán)后的正負極極片，SEM、XRD 和FTIR測試結果表明正負極活性材料均有損失。李楊等對循環(huán)6000次的磷酸鐵鋰動力電池的電性能進行分析，其容量保持率為84.87%，交流內阻上升18.25%，直流內阻上升 66%。作者將循環(huán)后的電池進行拆解，分別進行扣式電池性能測試和SEM分析，發(fā)現(xiàn)負極材料在循環(huán)后的性能衰減較快，并認為負極體積的膨脹、SEI膜的增厚是主要影響因素。
2 充放電制度
充放電制度主要包括充放電方式、倍率和截止條件等三個方面。在充電方式上，美國科學家馬斯曾經(jīng)提出最佳充電曲線的觀念，他認為電池的最佳充電電流隨著充電時間的延長而逐漸減?。篒=I0e-αt。式中：I為可接收充電電流；I0為t=0時刻的最大初始電流；t 為充電時間；α 為衰減常數(shù)。
曲線下方為可充電區(qū)域，在此區(qū)域內充電，不會對電池造成傷害，如果充電電流超過此區(qū)域，極化加劇，不但不能提高充電效率，還會導致電池析氣嚴重，縮短電池壽 命。目前在充電方法的研究方面，大多是基于馬斯理論開展的，即讓充電電流盡量接近該曲線。
何秋生等將常見的幾種充電方法做了全面的對比，發(fā)現(xiàn)恒流充電在后期由于電流過大，使電池內部析氣，損傷電池；而恒壓充電在充電初期電流過大，直接傷害電池；恒流恒壓充電以及階梯恒流充電法克服了恒流充電和恒壓充電的缺點，目前廣泛使用；反脈沖充電可以有效地消除極化，但是對壽命有一定的影響。
充放電倍率和截止條件對電池循環(huán)壽命也有很大的影響。李艷等研究了18650型號的鈷酸鋰電池在不同放電倍率下的循環(huán)性能，發(fā)現(xiàn)以0.5C，1C和2C放電倍率循環(huán)300周后的容量損失率分別為10.5%，14.2%和18.8%，并通過分析得出：正極材料結構的改變和負極表面膜增厚會導致鋰離子數(shù)量的減少及擴散通道阻塞，從而引起電池容量衰減。
K.Maher等將鈷酸鋰電池的充電截止電壓從4.2V升到4.9V，通過測試充電后的電極不同 SOC的熵變曲線，發(fā)現(xiàn)電極材料的結構發(fā)生了改變。
3 溫度
不同種類的鋰電池有不同的最佳使用溫度，過高或過低的溫度都會對電池的使用壽命產(chǎn)生影響。Ramadass等報道了溫度對Sony 18650鈷酸鋰電池循環(huán)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)當試驗溫度超過50℃后，電池的衰減明顯較常溫和45℃快很多，并將高溫下的容量衰減歸因于電池負極 SEI 膜的分解再生，活性鋰的損失以及負極阻抗的增加。
宋海申等對比了18650型磷酸鐵鋰/石墨動力電池在不同溫度下的電性能，也得出類似的結果：在常溫下循環(huán)，電池的容量衰減較為緩慢，而在55和65℃高溫條件下，電池表現(xiàn)出很快的失效行為。作者認為石墨負極上沉積的微量鐵會催化其界面膜的生成，對容量衰減有一定的影響。
Zhang等研究了低溫下的鋰電池性能，發(fā)現(xiàn)當溫度低于－10℃時，電池的容量急劇衰減，并分析了低溫性能差的原因除了電解液的離子電導率降低以外，還與電極材料有關。作者對比了全電池以及正負極對稱電極的EIS隨溫度的變化曲線，發(fā)現(xiàn)當溫度低于－10℃以后，全電池和半電池的阻抗都有上升趨勢，尤其是電荷轉移阻抗會驟升，并占據(jù)主導地位。
4 單體一致性
電池組一般都是將成百上千只單體電池串并聯(lián)，其循環(huán)壽命除了上述影響因素以外，單體一致性是另一重要因素。由于材料及制造工藝的差別，鋰電池的單體一致性很難保證。在材料方面，正負極材料和電解液的均勻性很重要，同種材料、同批次生產(chǎn)的鋰電池一致性往往相對較好。 在制造方面，鋰電池的生產(chǎn)流程很復雜， 其中的每個步驟會涉及到多個工藝參數(shù)，如果控制不好會導致電池的電壓、容量、內阻等參數(shù)的不一致性。
王震坡等研究了單體不一致性對電池組使用壽命的影響，他們認為電池組的壽命永遠小于壽命最短的單體電池的壽命，壽命為1000次的單體電池，成組后的壽命不到200次，而且電池組壽命的提高與電池組壽命的提高不成比例(表 1)。
陳強等基于Thevenin等效電路考察了單體電池的歐姆電阻、容量以及極化差異性對串聯(lián)電池組的性能影響，發(fā)現(xiàn)容量差異的影響最大。
電池在實際成組應用之前，會經(jīng)過篩選配組過程，剔除性能參數(shù)差異較大的單體，將電池的制造過程中產(chǎn)生的差異對使用性能的影響降到最低。電池一般是按照電池的容量、電壓、內阻以及自放電等參數(shù)進行配組，然而電池的自放電快速檢測是研究難點。單體電池的自放電會導致電池組內各電池SOC不一致，影響整個電池組容量的發(fā)揮。一般來說，溫度越高，電池的自放電越大。電池組箱體如果設計的不合理，處于不同位置的電池由于散熱差異， 內阻和自放電程度都會受到一定的影響。
