行業動態(tài)
充(chōng)電倍(bèi)率(lǜ)對(duì)鋰離子電池衰降的影響
鋰離子電池在使用過程中隨著充放電次數的增(zēng)加,容量逐漸降低,也就是我(wǒ)們(men)所說的衰降,直觀的感受就是電量越來越不(bú)夠用了。好比我們的手機,剛(gāng)剛買來的時候,充滿一次電能夠使用一整天,但是隨著我們使用可能充滿(mǎn)電就隻(zhī)能支(zhī)撐半天的使用了,這就(jiù)是鋰離子電池(chí)在使用中容量衰(shuāi)降了,這對於消(xiāo)費電子產品這種更新換代的比較快的產品還比較好解決,在電池容量衰降過大之(zhī)前,可能我(wǒ)們就已經(jīng)更換新的手機(jī)了,但是對於電動(dòng)車(chē)這種使用壽命較(jiào)長的(de)耐用產品來說就不那麽好解決了,一般來說汽車的使(shǐ)用壽命可達10年左右,這期間可能要進行1000次到2000次左右的充電(假(jiǎ)設每隔一天進行一次充電),為了(le)滿足消費(fèi)者對電動汽車的使用需求,就必須對電動汽(qì)車(chē)的鋰離子電池的壽(shòu)命提出一定的要求。
影響鋰(lǐ)離子電池壽命的影響因素很多,使用溫度、充放電電流、充(chōng)放電截止電壓等因素都會影響鋰離子電池的衰降速(sù)度。造成鋰離子電池容量衰降的(de)機理(lǐ)也可以分為三類:內阻和極化增加、正負極活性物質損失、Li損失,不同的外部因(yīn)素對這三者的(de)影響也各不相同。例如LiFePO4材料的電池一般來說具有非常好的循環性能,但是美國德州大學阿靈頓分校的DerekN.Wong等研(yán)究發現使用條(tiáo)件對(duì)其循環壽命有著重要(yào)的影響,當DerekN.Wong分別對26650型號的LiFePO4電池進行15C脈(mò)衝放電和15C連續放電,兩種(zhǒng)放電製度(dù)對於LiFePO4電池具有完全不同的影(yǐng)響(xiǎng)。15C脈衝放電的磷酸鐵鋰電(diàn)池容量衰降非(fēi)常快,40次後就無法進行15C放電,但是仍然能夠進行1C放電,1C放(fàng)電的衰降速率為6%/20次。而15C連續放電電(diàn)池容量衰降較慢,60次以(yǐ)後仍(réng)然能夠進行15C放電,但是1C倍率的衰降速率要快於15C脈衝放電(diàn),達到14%/20次。機理研(yán)究顯示,15C脈衝放電(diàn)的電池在負極的SEI膜中含有更多的LiF,而LiF對鋰(lǐ)離子擴散的阻礙(ài)更大,使得電池的Li+擴散阻(zǔ)抗和電荷交換阻抗迅速增(zēng)加,從而使得電池在充(chōng)放電過程中極化電壓過大,從而導致LiFePO4大電流(liú)放電能力迅速下降。
鋰離子電池(chí)的放電製度很大程度上依(yī)賴於使用者,好的放電製度對於有的使用者而言並不一定適用。但是充電製度則主要是設計者(zhě)進行控(kòng)製,因此對於充電製度對電池壽命衰(shuāi)降的影響(xiǎng)的研究,能夠更好的指導我們對鋰離子電池的(de)設計。北京交通大學的YangGao等針對不同的充(chōng)電製度(dù)對鋰離子電池壽命衰降(jiàng)的影響,並研(yán)究了其作用機理,提出(chū)了鋰離子電池的(de)壽(shòu)命衰降模型。YangGao的研(yán)究顯(xiǎn)示,當充電電流(liú)和截止電壓超過一定的數值(zhí)時,鋰離子電池的衰降將被極大的加速,為了降低鋰離子電池的衰降(jiàng)速率,需要針對不同的體係,選擇合適的(de)充放電電流和截(jié)止電壓。
測試中YangGao采用了商用18650電池,正(zhèng)極材料為LiCoO2,負極材料為石(shí)墨,測試了不同的充(chōng)電電流對電池衰降速率的影響,結果如下圖所示。從下(xià)圖a中我們(men)可以看到,充電電流對於鋰離子電池衰降速度具有極大的影響,在0.5C充電(diàn)倍率下,在前150次循環電池的衰降速度為(wéi)0.020%/循環(huán),在150次-800次(cì)則穩定為0.0156%/循環,800次以後為(wéi)0.0214%/循環。而0.8C充電倍率下(xià),電池在前150次,衰降速度為0.0243%/循環(huán),150次-800次為0.175%/循(xún)環,800次(cì)以後為0.0209%/循(xún)環(huán)。對於1C倍率充電,前150次衰降速率為0.032%/循環,150次-600次衰降速率為0.0188%/循環,600次(cì)以後衰降速度為0.0271%/循環。1.2C充(chōng)電,前100次衰降速度為0.0472%/循環,100次-400次衰阿醬速度為0.0226%/循環,400次(cì)以後衰降(jiàng)速度為0.0356%/循環(huán)。1.5C倍率充電與其他倍率充電的電池具有很大的不同,平均衰減速度為(wéi)0.078%/循環,遠遠快於(yú)其他倍率下(xià)充電的電池。從上述數據可以看到,隨著充電的倍率的加大,鋰離子電池的衰降速率也在快(kuài)速(sù)增加,並且從(cóng)曲線的斜率(lǜ)來看,電池的衰降速度存在三個不同的(de)階段,前期衰降速度較快(kuài)的階段(duàn)(階段1),中間衰降速度較(jiào)慢的(de)穩(wěn)定階段(階段2),和後期的衰降速率加速階段(階段3)。
針對三個階段電(diàn)池的衰降機理的研究認為,階(jiē)段1可能是因為電(diàn)池SEI膜(mó)生長需要(yào)消耗一部分Li+,因此衰降速度較快。在階段2隨著SEI膜結構(gòu)的(de)穩定,內部較為穩(wěn)定(dìng),因此衰降速度較慢,在階段3隨著電池老化,開始發生活性物質損失,電極活性界麵減少,導致電池對於電流十分敏感。圖(tú)C是針對(duì)不同的截止(zhǐ)電壓對電池衰降(jiàng)速度(dù)影(yǐng)響的實驗(yàn),從實驗結果可以看到,當把充電截止電壓提(tí)高到4.3V時會導致電池的循環(huán)性能急劇惡(è)化,降低充電截止電(diàn)壓可以有效的改善(shàn)電池的循環性能。
對電池的動態內(nèi)阻分(fèn)析如下圖所示,從圖(tú)a測試(shì)結果來看,當充電(diàn)電流小於1C時,電池動態內阻隨著電池循(xún)環的變(biàn)化趨勢幾乎時一樣的,但是當充電電流超過1C時,電池動態內阻增加速度會隨著充電速率的(de)增加而快速增(zēng)加。從圖b的測試結(jié)果來看,當充電截止電壓為4.3V時,電池動態內阻增加非常迅速表明高截止電壓會惡化電池的動(dòng)力(lì)學(xué)條件,截(jié)止電壓為4.1V和(hé)4.2V時電池動態內阻增加較(jiào)為緩慢。
從上述分析我們可以(yǐ)注意到,無論是充電電流還是充(chōng)電截止電壓都存在一個值,當充電電流或者電壓超過這個值時就會導致電池衰降加速,對(duì)於上述電池這個值是1C和4.2V,當充電電流和截止電壓超過這個值後就會加速電(diàn)池的衰降,當小於這(zhè)個值時,提高充電電流和截止電壓並不會顯著的增加(jiā)電池的衰降速度。對於充電電(diàn)流和截(jié)止(zhǐ)電壓對電池衰降(jiàng)速度影響的機理研究顯示,當充電(diàn)電流低於1C時主要影響的是正負極活性物質損失,而截(jié)止(zhǐ)電(diàn)壓低於4.2V時影響的主要是Li損(sǔn)失(shī),當充電電流和截止(zhǐ)電(diàn)壓高於這個值時(shí),則會顯著的加速正負極活性物質損失和(hé)Li損失。