介紹幾個可能影響到電池循環(huán)性能因素！
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-30 18:41
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循環(huán)性能對鋰離子電池的重要程度無需贅言;另外就宏觀來講，更長的循環(huán)壽命意味著更少的資源消耗。因而，影響鋰離子電池循環(huán)性能的因素，是每一個與鋰電行業(yè)相關的人員都不得不考慮的問題。以下鋰電池廠商列舉幾個可能影響到電池循環(huán)性能因素，供參考。
材料種類：材料的選擇是影響鋰離子電池性能的第一要素。選擇了循環(huán)性能較差的材料，工藝再合理、制成再完善，電芯的循環(huán)也必然無法保證;選擇了較好的材料，即使后續(xù)制成有些許問題，循環(huán)性能也可能不會差的過于離譜(一次鈷酸鋰克發(fā)揮僅為135.5mAh/g左右且析鋰的電芯，1C雖然百余次跳水但是0.5C、500次90%以上;一次電芯拆開后負極有黑色石墨顆粒的電芯，循環(huán)性能正常)。從材料角度來看，一個全電池的循環(huán)性能，是由正極與電解液匹配后的循環(huán)性能、負極與電解液匹配后的循環(huán)性能這兩者中，較差的一者來決定的。材料的循環(huán)性能較差，一方面可能是在循環(huán)過程中晶體結構變化過快從而無法繼續(xù)完成嵌鋰脫鋰，一方面可能是由于活性物質與對應電解液無法生成致密均勻的SEI膜造成活性物質與電解液過早發(fā)生副反應而使電解液過快消耗進而影響循環(huán)。在電芯設計時，若一極確認選用循環(huán)性能較差的材料，則另一極無需選擇循環(huán)性能較好的材料，浪費。 正負極壓實：正負極壓實過高，雖然可以提高電芯的能量密度，但是也會一定程度上降低材料的循環(huán)性能。從理論來分析，壓實越大，相當于對材料的結構破壞越大，而材料的結構是保證鋰離子電池可以循環(huán)使用的基礎;此外，正負極壓實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。
水分：過多的水分會與正負極活性物質發(fā)生副反應、破壞其結構進而影響循環(huán)，同時水分過多也不利于SEI膜的形成。但在痕量的水分難以除去的同時，痕量的水也可以一定程度上保證電芯的性能。可惜文武對這個方面的切身經(jīng)驗幾乎為零，說不出太多的東西。大家有興趣可以搜一搜論壇里面關于這個話題的資料，還是不少的。
涂布膜密度：單一變量的考慮膜密度對循環(huán)的影響幾乎是一個不可能的任務。膜密度不一致要么帶來容量的差異、要么是電芯卷繞或疊片層數(shù)的差異。對同型號同容量同材料的電芯而言，降低膜密度相當于增加一層或多層卷繞或疊片層數(shù)，對應增加的隔膜可以吸收更多的電解液以保證循環(huán)。考慮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容易些，當然太薄的膜密度涂布時的誤差可能更難控制，活性物質中的大顆粒也可能會對涂布、滾壓造成負面影響，更多的層數(shù)意味著更多的箔材和隔膜，進而意味著更高的成本和更低的能量密度。所以，評估時也需要均衡考量。
負極過量：負極過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，對循環(huán)性能的影響也是一個考量。對于鈷酸鋰加石墨體系而言，負極石墨成為循環(huán)過程中的“短板”一方較為常見。若負極過量不充足，電芯可能在循環(huán)前并不析鋰，但是循環(huán)幾百次后正極結構變化甚微但是負極結構被破壞嚴重而無法完全接收正極提供的鋰離子從而析鋰，造成容量過早下降。
電解液量：電解液量不足對循環(huán)產生影響主要有三個原因，一是注液量不足，二是雖然注液量充足但是老化時間不夠或者正負極由于壓實過高等原因造成的浸液不充分，三是隨著循環(huán)電芯內部電解液被消耗完畢。注液量不足和保液量不足文武之前寫過《電解液缺失對電芯性能的影響》因而不再贅述。對第三點，正負極特別是負極與電解液的匹配性的微觀表現(xiàn)為致密且穩(wěn)定的SEI的形成，而右眼可見的表現(xiàn)，既為循環(huán)過程中電解液的消耗速度。不完整的SEI膜一方面無法有效阻止負極與電解液發(fā)生副反應從而消耗電解液，一方面在SEI膜有缺陷的部位會隨著循環(huán)的進行而重新生成SEI膜從而消耗可逆鋰源和電解液。不論是對循環(huán)成百甚至上千次的電芯還是對于幾十次既跳水的電芯，若循環(huán)前電解液充足而循環(huán)后電解液已經(jīng)消耗完畢，則增加電解液保有量很可能就可以一定程度上提高其循環(huán)性能。
測試的客觀條件：測試過程中的充放電倍率、截止電壓、充電截止電流、測試中的過充過放、測試房溫度、測試過程中的突然中斷、測試點與電芯的接觸內阻等外界因素，都會或多或少影響循環(huán)性能測試結果。另外，不同的材料對上述客觀因素的敏感程度各不相同，統(tǒng)一測試標準并且了解共性及重要材料的特性應該就足夠日常工作使用了。
一、電壓大小不同
在電池行業(yè)上，電壓增大了，其對應的輸出電壓也會增大，從而使得動力型鋰電池組能夠滿足一些大功率的設備上;而并聯(lián)方式直接影響的結果就是使得整個電池組的電流增大，而容量是受輸出端的電流影響的，所以并聯(lián)的直接作用就是使得鋰電池組的容量增大，以這種方式連接的電池組的容量往往會比較大，也就是所謂的容量型鋰電池組。
新能源汽車用的鋰電池都是動力鋰電池，按特性分為功率型、能量型和功率能量兼顧型三種。功率型即你說說的動力鋰電池主要特性就是支持大倍率的充放電，一般會高達10C以上，主要考量的參數(shù)是比功能(W/kg)。能量型的主要特性就是比能量(Wh/kg)較高。打個比方就是容量型是馬拉松選手，要有耐力，就是容量要大，對大電流放電性能要求一般不高;功率型就是短跑選手，拼的是暴發(fā)力，但耐力也要有，不然容量太小就跑不遠。
二、應用的產品不同
一些大型設備上需要的電壓值較高，因為小功率的電池組帶不起運轉，所以就要選用動力型鋰電池組。例如我們平時所用的電動自行車，它所要求的電壓值往往都是48V，相對我們生活中的一些情況，48V已經(jīng)算是不小了。所以就必須使用動力型鋰電池組來確保電動自行車的運轉。而我們平時去一些大型超市或者商場，一些標志燈以及備用電源，因為這些設備的功耗并不是很大，所以一般都采用容量型鋰電池組，這兩者之間在產品的應用上是不同的。
三、內阻不同
動力型鋰電池的內阻要比容量型鋰電池的小，以18650為例，3倍率放電的好的廠家一般都帶PDC，內阻40左右;5倍率放電的一般都不帶PDC內阻20左右。
鋰電池生產廠家總結：如同木桶原則一樣，諸多的影響電芯循環(huán)性能的因素當中，最終的決定性因素，是諸多因素中的最短板。同時，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，找到剛好滿足客戶需求的結合點，盡量保證電芯制成的一致性，方是最重要的任務所在。
水分：過多的水分會與正負極活性物質發(fā)生副反應、破壞其結構進而影響循環(huán)，同時水分過多也不利于SEI膜的形成。但在痕量的水分難以除去的同時，痕量的水也可以一定程度上保證電芯的性能。可惜文武對這個方面的切身經(jīng)驗幾乎為零，說不出太多的東西。大家有興趣可以搜一搜論壇里面關于這個話題的資料，還是不少的。
涂布膜密度：單一變量的考慮膜密度對循環(huán)的影響幾乎是一個不可能的任務。膜密度不一致要么帶來容量的差異、要么是電芯卷繞或疊片層數(shù)的差異。對同型號同容量同材料的電芯而言，降低膜密度相當于增加一層或多層卷繞或疊片層數(shù)，對應增加的隔膜可以吸收更多的電解液以保證循環(huán)。考慮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容易些，當然太薄的膜密度涂布時的誤差可能更難控制，活性物質中的大顆粒也可能會對涂布、滾壓造成負面影響，更多的層數(shù)意味著更多的箔材和隔膜，進而意味著更高的成本和更低的能量密度。所以，評估時也需要均衡考量。
負極過量：負極過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，對循環(huán)性能的影響也是一個考量。對于鈷酸鋰加石墨體系而言，負極石墨成為循環(huán)過程中的“短板”一方較為常見。若負極過量不充足，電芯可能在循環(huán)前并不析鋰，但是循環(huán)幾百次后正極結構變化甚微但是負極結構被破壞嚴重而無法完全接收正極提供的鋰離子從而析鋰，造成容量過早下降。
電解液量：電解液量不足對循環(huán)產生影響主要有三個原因，一是注液量不足，二是雖然注液量充足但是老化時間不夠或者正負極由于壓實過高等原因造成的浸液不充分，三是隨著循環(huán)電芯內部電解液被消耗完畢。注液量不足和保液量不足文武之前寫過《電解液缺失對電芯性能的影響》因而不再贅述。對第三點，正負極特別是負極與電解液的匹配性的微觀表現(xiàn)為致密且穩(wěn)定的SEI的形成，而右眼可見的表現(xiàn)，既為循環(huán)過程中電解液的消耗速度。不完整的SEI膜一方面無法有效阻止負極與電解液發(fā)生副反應從而消耗電解液，一方面在SEI膜有缺陷的部位會隨著循環(huán)的進行而重新生成SEI膜從而消耗可逆鋰源和電解液。不論是對循環(huán)成百甚至上千次的電芯還是對于幾十次既跳水的電芯，若循環(huán)前電解液充足而循環(huán)后電解液已經(jīng)消耗完畢，則增加電解液保有量很可能就可以一定程度上提高其循環(huán)性能。
測試的客觀條件：測試過程中的充放電倍率、截止電壓、充電截止電流、測試中的過充過放、測試房溫度、測試過程中的突然中斷、測試點與電芯的接觸內阻等外界因素，都會或多或少影響循環(huán)性能測試結果。另外，不同的材料對上述客觀因素的敏感程度各不相同，統(tǒng)一測試標準并且了解共性及重要材料的特性應該就足夠日常工作使用了。
一、電壓大小不同
在電池行業(yè)上，電壓增大了，其對應的輸出電壓也會增大，從而使得動力型鋰電池組能夠滿足一些大功率的設備上;而并聯(lián)方式直接影響的結果就是使得整個電池組的電流增大，而容量是受輸出端的電流影響的，所以并聯(lián)的直接作用就是使得鋰電池組的容量增大，以這種方式連接的電池組的容量往往會比較大，也就是所謂的容量型鋰電池組。
新能源汽車用的鋰電池都是動力鋰電池，按特性分為功率型、能量型和功率能量兼顧型三種。功率型即你說說的動力鋰電池主要特性就是支持大倍率的充放電，一般會高達10C以上，主要考量的參數(shù)是比功能(W/kg)。能量型的主要特性就是比能量(Wh/kg)較高。打個比方就是容量型是馬拉松選手，要有耐力，就是容量要大，對大電流放電性能要求一般不高;功率型就是短跑選手，拼的是暴發(fā)力，但耐力也要有，不然容量太小就跑不遠。
二、應用的產品不同
一些大型設備上需要的電壓值較高，因為小功率的電池組帶不起運轉，所以就要選用動力型鋰電池組。例如我們平時所用的電動自行車，它所要求的電壓值往往都是48V，相對我們生活中的一些情況，48V已經(jīng)算是不小了。所以就必須使用動力型鋰電池組來確保電動自行車的運轉。而我們平時去一些大型超市或者商場，一些標志燈以及備用電源，因為這些設備的功耗并不是很大，所以一般都采用容量型鋰電池組，這兩者之間在產品的應用上是不同的。
三、內阻不同
動力型鋰電池的內阻要比容量型鋰電池的小，以18650為例，3倍率放電的好的廠家一般都帶PDC，內阻40左右;5倍率放電的一般都不帶PDC內阻20左右。
弗吉尼亞州立邦聯(lián)大學的物理學特聘教授Puru Jena表示，目前科學家們可以預防液態(tài)電解質所導致的鋰電池的不穩(wěn)定問題。所以，盡管存在這種不穩(wěn)定性，但液態(tài)電解質仍被廣泛使用于鋰電池中，因為它們比那些更穩(wěn)定的固態(tài)電解質具有導電優(yōu)勢。
但Jena和其同事洪方的理論研究表明，人類也許可以設計出一種導電能力不輸液態(tài)電解質，同時還十分穩(wěn)定的固態(tài)電解質。他們的研究結果將于本月底在《美國科學院學報》上發(fā)表，這可能會催生出更安全、更強大的鋰電池。
Jena說道：“理論上來說，在穩(wěn)定性和導電性方面，也許魚和熊掌是可以兼得的。”
我們都知道，電解質是電池的核心，是由正負離子所組成的鹽。正離子是那些質子比電子多的原子，而負離子則是電子比質子多的原子。在鋰電池中，正的鋰離子通過電解質在電極之間流動。鋰離子可以通過液態(tài)電解質自由流動，但在固態(tài)電解質中流動性較低，而這就會降低電導率。因此，為了提高固態(tài)電解質的電導率，研究人員制作了一種計算模型，其中單個的負離子被去除掉了，取而代之的是負離子團簇(負離子群)。
這些科學家們在其他研究人員以前測試過的固態(tài)電解質上獲得了啟發(fā)。起初，這種電解質屬于一種被稱為“反鈣鈦礦型氧化物”，其中一個氧原子和三個鋰原子組成一個正離子，然后這個正離子再與一個氯離子連接。而在新的計算模型中，氯離子被一個硼原子和四個氟原子結合成的負離子團簇所取代了，這種做法可能會提高導電性。
但Jena和其同事洪方的理論研究表明，人類也許可以設計出一種導電能力不輸液態(tài)電解質，同時還十分穩(wěn)定的固態(tài)電解質。他們的研究結果將于本月底在《美國科學院學報》上發(fā)表，這可能會催生出更安全、更強大的鋰電池。
Jena說道：“理論上來說，在穩(wěn)定性和導電性方面，也許魚和熊掌是可以兼得的。”
我們都知道，電解質是電池的核心，是由正負離子所組成的鹽。正離子是那些質子比電子多的原子，而負離子則是電子比質子多的原子。在鋰電池中，正的鋰離子通過電解質在電極之間流動。鋰離子可以通過液態(tài)電解質自由流動，但在固態(tài)電解質中流動性較低，而這就會降低電導率。因此，為了提高固態(tài)電解質的電導率，研究人員制作了一種計算模型，其中單個的負離子被去除掉了，取而代之的是負離子團簇(負離子群)。
這些科學家們在其他研究人員以前測試過的固態(tài)電解質上獲得了啟發(fā)。起初，這種電解質屬于一種被稱為“反鈣鈦礦型氧化物”，其中一個氧原子和三個鋰原子組成一個正離子，然后這個正離子再與一個氯離子連接。而在新的計算模型中，氯離子被一個硼原子和四個氟原子結合成的負離子團簇所取代了，這種做法可能會提高導電性。
鋰電池生產廠家總結：如同木桶原則一樣，諸多的影響電芯循環(huán)性能的因素當中，最終的決定性因素，是諸多因素中的最短板。同時，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，找到剛好滿足客戶需求的結合點，盡量保證電芯制成的一致性，方是最重要的任務所在。
