鋰電池的性能衰減是線性可預(yù)期的嗎？探討電池衰減的背后原理！
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-25 10:02
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使用壽命是我們?cè)?/span>鋰離子電池使用中非常關(guān)注的一個(gè)指標(biāo)，一般來(lái)說(shuō)鋰離子電池的使用壽命主要受兩個(gè)因素的影響：1）使用時(shí)間；2）循環(huán)次數(shù)。根據(jù)鋰離子電池的衰降速度我們又可以將電池的衰降過(guò)程中分為前期的線性衰降過(guò)程和后期的非線性衰降過(guò)程。非線性衰降過(guò)程的典型特點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)電池的容量大幅衰降，也就是我們通常所說(shuō)的容量跳水，這對(duì)于動(dòng)力電池的使用和梯次利用都是非常不利的。
德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的SimonF.Schuster（第一作者、通訊作者）分析了電池使用電壓窗口區(qū)間、充電電流和溫度對(duì)于動(dòng)力電池非線性衰降的影響，研究表明更寬的電壓窗口、更大的充電電流和更低的溫度都會(huì)加速負(fù)極SEI膜的生長(zhǎng)，造成負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件表差，從而加速負(fù)極表面析鋰現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致電池非線性衰降現(xiàn)象更早的出現(xiàn)。
上圖a是一個(gè)典型鋰離子電池從線性衰降過(guò)渡到非線性衰降的曲線（NMC/石墨體系），從圖中能夠看到電池在非線性衰降階段的衰降速度是線性衰降階段的7倍以上。通常我們認(rèn)為前期線性衰降階段鋰離子電池容量衰降的主要因素是SEI膜生長(zhǎng)造成的活性Li損失，在非線性衰降階段則是由于SEI膜的生長(zhǎng)導(dǎo)致負(fù)極的動(dòng)力學(xué)條件變差引起金屬鋰在負(fù)極表面的析出，析出的金屬鋰則進(jìn)一步促進(jìn)了電解液的分解和SEI膜的生長(zhǎng)，從而加劇了金屬鋰的析出，導(dǎo)致鋰離子電池的衰降速度大大加速。
實(shí)驗(yàn)中SimonF.Schuster采用的電池為來(lái)自E-oneMoliEnergy公司的IHR18650A電池，正極材料為NMC材料，負(fù)極材料為石墨，標(biāo)稱容量1.95Ah。實(shí)驗(yàn)中主要分析了使用電壓窗口、充電倍率、放電倍率和溫度對(duì)電池非線性衰降的影響，具體的實(shí)驗(yàn)安排如下表所示。
1.工作電壓窗口的影響
下圖為不同的電壓窗口范圍內(nèi)電池的循環(huán)性能曲線，從下圖a我們能夠看到隨著電池工作電壓窗口的擴(kuò)大，電池發(fā)生非線性衰降的節(jié)點(diǎn)明顯提前，例如相比于電壓窗口1.2V（3.0-4.2V）的電池，電壓窗口為0.94V（3.17-4.11V）的電池線性衰降段的長(zhǎng)度增加42%左右。作者認(rèn)為這主要是由于在較寬的電化學(xué)窗口下導(dǎo)致正極過(guò)渡金屬元素的溶出加劇，溶出的過(guò)渡金屬元素遷移到負(fù)極表面導(dǎo)致負(fù)極SEI膜生長(zhǎng)的加速，從而導(dǎo)致負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件加速衰降，因此負(fù)極更早的析出金屬鋰，導(dǎo)致了非線性衰降更早的出現(xiàn)。
從下圖b和c能夠看到電池的歐姆阻抗和電荷交換阻抗的增加與電池可逆容量衰降之間存在非常密切的相關(guān)性，因此我們可以通過(guò)BMS系統(tǒng)對(duì)電池內(nèi)阻變化的跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性衰降的預(yù)測(cè)。
2.充放電倍率的影響
由于鋰離子電池非線性衰降主要是負(fù)極表面金屬鋰的析出造成的，因此充放電電流也與鋰離子電池非線性衰降出現(xiàn)的早晚有著密切的關(guān)系，下圖a為不同的充放電電流下電池的循環(huán)性能曲線，從圖中能夠注意到對(duì)電池非線性衰降影響最大的是電池的充電電流，在1C倍率下進(jìn)行充電的電池幾乎從一開(kāi)始就呈現(xiàn)出非線性衰降的趨勢(shì)，但是如果我們將充電電流降低到0.5C那么電池出現(xiàn)非線性衰降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)將大大延遲，而放電電流對(duì)于電池非線性衰降的影響幾乎可以忽略不計(jì)。這主要是因?yàn)殡S著充電電流的提高，負(fù)極的極化也會(huì)出現(xiàn)明顯的增加，也就導(dǎo)致了負(fù)極析鋰的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，析出的多孔結(jié)構(gòu)的金屬鋰會(huì)促進(jìn)電解液的分解，從而加速負(fù)極動(dòng)力學(xué)性能的下降，導(dǎo)致非線性衰降的提前出現(xiàn)。
對(duì)比下圖b和c我們發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)阻的增加與電池非線性衰降的出現(xiàn)同樣存在非常密切的關(guān)系，因此我們同樣可以采用BMS對(duì)電池內(nèi)阻監(jiān)控預(yù)測(cè)電池非線性衰降的出現(xiàn)。
德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的SimonF.Schuster（第一作者、通訊作者）分析了電池使用電壓窗口區(qū)間、充電電流和溫度對(duì)于動(dòng)力電池非線性衰降的影響，研究表明更寬的電壓窗口、更大的充電電流和更低的溫度都會(huì)加速負(fù)極SEI膜的生長(zhǎng)，造成負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件表差，從而加速負(fù)極表面析鋰現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致電池非線性衰降現(xiàn)象更早的出現(xiàn)。
上圖a是一個(gè)典型鋰離子電池從線性衰降過(guò)渡到非線性衰降的曲線（NMC/石墨體系），從圖中能夠看到電池在非線性衰降階段的衰降速度是線性衰降階段的7倍以上。通常我們認(rèn)為前期線性衰降階段鋰離子電池容量衰降的主要因素是SEI膜生長(zhǎng)造成的活性Li損失，在非線性衰降階段則是由于SEI膜的生長(zhǎng)導(dǎo)致負(fù)極的動(dòng)力學(xué)條件變差引起金屬鋰在負(fù)極表面的析出，析出的金屬鋰則進(jìn)一步促進(jìn)了電解液的分解和SEI膜的生長(zhǎng)，從而加劇了金屬鋰的析出，導(dǎo)致鋰離子電池的衰降速度大大加速。
實(shí)驗(yàn)中SimonF.Schuster采用的電池為來(lái)自E-oneMoliEnergy公司的IHR18650A電池，正極材料為NMC材料，負(fù)極材料為石墨，標(biāo)稱容量1.95Ah。實(shí)驗(yàn)中主要分析了使用電壓窗口、充電倍率、放電倍率和溫度對(duì)電池非線性衰降的影響，具體的實(shí)驗(yàn)安排如下表所示。
1.工作電壓窗口的影響
下圖為不同的電壓窗口范圍內(nèi)電池的循環(huán)性能曲線，從下圖a我們能夠看到隨著電池工作電壓窗口的擴(kuò)大，電池發(fā)生非線性衰降的節(jié)點(diǎn)明顯提前，例如相比于電壓窗口1.2V（3.0-4.2V）的電池，電壓窗口為0.94V（3.17-4.11V）的電池線性衰降段的長(zhǎng)度增加42%左右。作者認(rèn)為這主要是由于在較寬的電化學(xué)窗口下導(dǎo)致正極過(guò)渡金屬元素的溶出加劇，溶出的過(guò)渡金屬元素遷移到負(fù)極表面導(dǎo)致負(fù)極SEI膜生長(zhǎng)的加速，從而導(dǎo)致負(fù)極動(dòng)力學(xué)條件加速衰降，因此負(fù)極更早的析出金屬鋰，導(dǎo)致了非線性衰降更早的出現(xiàn)。
從下圖b和c能夠看到電池的歐姆阻抗和電荷交換阻抗的增加與電池可逆容量衰降之間存在非常密切的相關(guān)性，因此我們可以通過(guò)BMS系統(tǒng)對(duì)電池內(nèi)阻變化的跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性衰降的預(yù)測(cè)。
2.充放電倍率的影響
由于鋰離子電池非線性衰降主要是負(fù)極表面金屬鋰的析出造成的，因此充放電電流也與鋰離子電池非線性衰降出現(xiàn)的早晚有著密切的關(guān)系，下圖a為不同的充放電電流下電池的循環(huán)性能曲線，從圖中能夠注意到對(duì)電池非線性衰降影響最大的是電池的充電電流，在1C倍率下進(jìn)行充電的電池幾乎從一開(kāi)始就呈現(xiàn)出非線性衰降的趨勢(shì)，但是如果我們將充電電流降低到0.5C那么電池出現(xiàn)非線性衰降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)將大大延遲，而放電電流對(duì)于電池非線性衰降的影響幾乎可以忽略不計(jì)。這主要是因?yàn)殡S著充電電流的提高，負(fù)極的極化也會(huì)出現(xiàn)明顯的增加，也就導(dǎo)致了負(fù)極析鋰的風(fēng)險(xiǎn)大大增加，析出的多孔結(jié)構(gòu)的金屬鋰會(huì)促進(jìn)電解液的分解，從而加速負(fù)極動(dòng)力學(xué)性能的下降，導(dǎo)致非線性衰降的提前出現(xiàn)。
對(duì)比下圖b和c我們發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)阻的增加與電池非線性衰降的出現(xiàn)同樣存在非常密切的關(guān)系，因此我們同樣可以采用BMS對(duì)電池內(nèi)阻監(jiān)控預(yù)測(cè)電池非線性衰降的出現(xiàn)。
