影響鋰離子電池循環(huán)性能的因素有哪些呢?
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對(duì)所有鋰離子電池來(lái)說(shuō),控制充電過(guò)程非常重要,通常先以恒定電流進(jìn)行,待電池充電電壓達(dá)設(shè)置值時(shí),再以恒壓方式進(jìn)行充電。當(dāng)鋰離子電池在不適宜的截止電壓恒壓充電時(shí),極易影響循環(huán)壽命,甚至使電解液分解而造成危險(xiǎn),因此不能使用鎳鎘、鎳氫電池所通用的定電流充電法。由于鋰離子電池充電通常要使用恒壓充電法,因此充電的截止電壓必須進(jìn)行精確控制。
鋰離子電池的檢測(cè)過(guò)程主要包括五個(gè)階段:恒流充電階段、恒壓充電階段、充放電間隔階段、放電階段及周期間隔階段等。在恒流充電階段,有充電峰值電壓限定恒流充電終點(diǎn)。
當(dāng)電池電壓達(dá)到上限4.1V或4.2V時(shí),恒流充電階段即告結(jié)束,電池進(jìn)行下一階段即恒壓充電階段。恒壓充電是指在保持電池兩端電壓不變的情況下對(duì)電池充電,在這一階段,充電電流以逐漸減小直至為零的方式將電池充滿(mǎn)。在充放電間隔階段,電池處于自放電狀態(tài)。放電階段是電池檢測(cè)和分選的關(guān)鍵階段,電池的容量就是在這一階段計(jì)算出來(lái)的,即通過(guò)放電電流與放電時(shí)間的乘積得到。電池上架化成之前及下架后都需要測(cè)量電池阻抗值,待測(cè)試后,此數(shù)據(jù)合并電池容量值以供電池分選之用。一般情況下,電池阻抗越低,電池性能越好,整體表現(xiàn)越佳。
電池的化成和分選非常重要,特別是鋰離子電池在應(yīng)用過(guò)程中,經(jīng)常是多節(jié)電池的并聯(lián)、串聯(lián)或兩者結(jié)合?;珊玫碾姵匕匆欢ㄒ?guī)律進(jìn)行分選,如根據(jù)放電容量或根據(jù)放電曲線進(jìn)行分類(lèi),將電池性能相近的分成一類(lèi)組裝成電池組,可保證電池能良好地運(yùn)行。
1.電池的力學(xué)性能:
力學(xué)性能包括耐碰撞、耐沖擊和耐震性能等。
2.鋰電池生產(chǎn)廠家對(duì)鋰電池的儲(chǔ)存性能和自放電:
開(kāi)路狀態(tài)下電池在一定條件下 (溫度、濕度等)儲(chǔ)存時(shí)容量下降的現(xiàn)象叫電池的自放電。自放電速率是單位時(shí)間內(nèi)容量降低的百分?jǐn)?shù)。
3.電池的安全性能:
電動(dòng)車(chē)鋰電池為了確保電池在使用過(guò)程中安全可靠,對(duì)電池的安全性能要求較為嚴(yán)格,尤其是動(dòng)力電源,在實(shí)際應(yīng)用之前,電池必須通過(guò)全面的安全測(cè)試,具體測(cè)試內(nèi)容包括:過(guò)充和過(guò)放能力的測(cè)試、短路測(cè)試、耐高溫測(cè)試、鉆孔實(shí)驗(yàn)、抗腐蝕性能測(cè)試等。具體測(cè)試方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)電池安全性能測(cè)試章節(jié)。
4.電池壽命:
對(duì)一次電池而言,電池壽命主要是指擱置使用壽命,即在沒(méi)有負(fù)荷的條件下電池放置后達(dá)到所規(guī)定的性能指標(biāo)所需的時(shí)間。自放電是影響電池壽命的重要因素,此外,電池壽命也與使用條件有關(guān),如溫度、工作電流。對(duì)二次電池來(lái)說(shuō),除了擱置使用壽命外,更重要的是充放電循環(huán)壽命。電池庫(kù)侖效率的高低在很大程度上決定 了二次電池的循環(huán)壽命。使循環(huán)壽命下降的因素很多,在電極方面,反復(fù)的充放電使電極活性表面積減小,電流密度提高,極化增大;活性材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;活 性顆粒的電接觸變差,甚至脫落;電極材料 (包括集流體)的腐蝕。在電解質(zhì)溶液方面,電解液或?qū)щ婝}分解使導(dǎo)電率下降,分解產(chǎn)物造成界面鈍化,此外,隔膜堵塞或損壞,電池內(nèi)部短路等也會(huì)縮短電池的 壽命。
鋰離子電池至今能發(fā)展的那么迅速,前景廣闊。很大部分得益于它的循環(huán)性能。一個(gè)鋰離子電池?fù)碛泻玫难h(huán)壽命也就代表著有很少的資源消耗,成本也有所下降。因此,對(duì)于影響鋰離子電池循環(huán)性能的一些因素,是每個(gè)從事鋰電池行業(yè)的人員必須得研究的問(wèn)題。那對(duì)于影響循環(huán)性能的因素有哪些呢?
一、材料問(wèn)題
材料的選擇是影響鋰離子電池性能的第一大要素。如果材料的循環(huán)性能差,那么就算工藝在好、在完善,電芯的循環(huán)效果也是沒(méi)法保障的。從材料的角度來(lái)看,一個(gè)全電池的循環(huán)性能是由正極與電解液匹配后的循環(huán)性能、負(fù)極與電解液匹配后的循環(huán)性能這兩者中,較差的一者來(lái)決定的。在電芯設(shè)計(jì)時(shí),若一極確認(rèn)選用循環(huán)性能較差的材料,則另一極無(wú)需選擇循環(huán)性能較好的材料。
二、負(fù)極過(guò)量
負(fù)極過(guò)量的原因除了需要考慮首次不可逆容量的影響和涂布膜密度偏差之外,對(duì)循環(huán)性能的影響也是一個(gè)考量。對(duì)于鈷酸鋰加石墨體系而言,負(fù)極石墨成為循環(huán)過(guò)程中的“短板”一方較為常見(jiàn)。若負(fù)極過(guò)量不充足,電芯可能在循環(huán)前并不析鋰,但是循環(huán)幾百次后正極結(jié)構(gòu)變化甚微但是負(fù)極結(jié)構(gòu)被破壞嚴(yán)重而無(wú)法完全接收正極提供的鋰離子從而析鋰,造成容量過(guò)早下降。
三、涂布膜密度
單一變量的考慮膜密度對(duì)循環(huán)的影響幾乎是一個(gè)不可能的任務(wù)。膜密度不一致要么帶來(lái)容量的差異、要么是電芯卷繞或疊片層數(shù)的差異。對(duì)同型號(hào)同容量同材料的電芯而言,降低膜密度相當(dāng)于增加一層或多層卷繞或疊片層數(shù),對(duì)應(yīng)增加的隔膜可以吸收更多的電解液以保證循環(huán)??紤]到更薄的膜密度可以增加電芯的倍率性能、極片及裸電芯的烘烤除水也會(huì)容易些,當(dāng)然太薄的膜密度涂布時(shí)的誤差可能更難控制,活性物質(zhì)中的大顆粒也可能會(huì)對(duì)涂布、滾壓造成負(fù)面影響,更多的層數(shù)意味著更多的箔材和隔膜,進(jìn)而意味著更高的成本和更低的能量密度。所以,評(píng)估時(shí)也需要均衡考量。
四、測(cè)試的客觀條件
測(cè)試過(guò)程中的充放電倍率、截止電壓、充電截止電流、測(cè)試中的過(guò)充過(guò)放、測(cè)試房溫度、測(cè)試過(guò)程中的突然中斷、測(cè)試點(diǎn)與電芯的接觸內(nèi)阻等外界因素,都會(huì)或多或少影響循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果。另外,不同的材料對(duì)上述客觀因素的敏感程度各不相同,統(tǒng)一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)并且了解共性及重要材料的特性應(yīng)該就足夠日常工作使用了。
五、正負(fù)極壓實(shí)
正負(fù)極壓實(shí)過(guò)高,雖然可以提高電芯的能量密度,但是也會(huì)一定程度上降低材料的循環(huán)性能。從理論來(lái)分析,壓實(shí)越大,相當(dāng)于對(duì)材料的結(jié)構(gòu)破壞越大,而材料的結(jié)構(gòu)是保證鋰離子電池可以循環(huán)使用的基礎(chǔ);此外,正負(fù)極壓實(shí)較高的電芯難以保證較高的保液量,而保液量是電芯完成正常循環(huán)或更多次的循環(huán)的基礎(chǔ)。
總結(jié):如同木桶原則一樣,諸多的影響電芯循環(huán)性能的因素當(dāng)中,最終的決定性因素,是諸多因素中的最短板。同時(shí),這些影響因素之間,也都有著交互影響。在同樣的材料和制成能力下,越高的循環(huán),往往意味著越低的能量密度。
近年來(lái),鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)電子、動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池三大領(lǐng)域。消費(fèi)電子是主流市場(chǎng),而儲(chǔ)能市場(chǎng)的技術(shù)不太成熟。就目前來(lái)看鋰電未來(lái)的主場(chǎng)在動(dòng)力電池。因其環(huán)保的特性,電動(dòng)自行車(chē)做為動(dòng)力電池的首選,得到政府的很大支持,且現(xiàn)在各地都頒布禁令,開(kāi)始禁行“超標(biāo)車(chē)”。這對(duì)鋰動(dòng)力電池的發(fā)展又添了一筆。鋰電池在中小系統(tǒng)動(dòng)力市場(chǎng)(電動(dòng)自行車(chē))將打敗鉛酸電池,鋰電池替換鉛酸電池的速度取決于鋰電池成本的下降速度,最近10年有望將完成這過(guò)程。這些市場(chǎng)敏感的不是技術(shù),而是成本。
而在電動(dòng)自行車(chē)之后,電動(dòng)汽車(chē)與儲(chǔ)能又會(huì)帶動(dòng)鋰電需求的新一輪井噴。出于擺脫石油依賴(lài)、加強(qiáng)環(huán)保等方面的原因,中國(guó)對(duì)電動(dòng)車(chē)的支持力度會(huì)不斷加大,和動(dòng)力應(yīng)用相比,消費(fèi)類(lèi)鋰電只可算小打小鬧。動(dòng)力電池的崛起才真正打開(kāi)了人們對(duì)鋰電無(wú)限的想象空間,目前鋰電池已成為電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用的理想產(chǎn)品。
電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展關(guān)鍵還要靠技術(shù)改進(jìn)的推動(dòng),降低成本,提高電動(dòng)汽車(chē)的安全性及經(jīng)濟(jì)性,目前特斯拉電動(dòng)汽車(chē)的性能突破,已取得良好的效果,給行業(yè)帶來(lái)了曙光。
















