工業(yè)車輛鋰電池實際應(yīng)用中衰減的原因是什么？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-11 20:20
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技術(shù)以及工藝要求高
1.容量衰減：相當(dāng)于城市的生產(chǎn)總值下降了，可能是就業(yè)崗位減少，居住成本太高或居住環(huán)境劣化，以及就業(yè)人口流失。對應(yīng)的也就是正負(fù)極活性材料減少和可移動的Li+減少。
2.內(nèi)阻增加：相當(dāng)于城市的工作效率低下，可能是政府行政阻力大，或是交通系統(tǒng)癱瘓導(dǎo)致員工上下班成本高，以及城市規(guī)劃不合理居住地和工作地越來越遠(yuǎn)。也就是電池歐姆阻抗增大，導(dǎo)電性能下降，Li+運動路徑劣化。
3.自放電大：相當(dāng)于城市失業(yè)人口比例上升，占用了城市的資源卻沒有創(chuàng)造效益。也就是Li+異常損耗，電池內(nèi)部微短路。
安全性衰減：要求好的質(zhì)量
1.內(nèi)短路風(fēng)險增大：隔膜受損破裂或受熱收縮。
2.機械形變和漏液：電池內(nèi)部產(chǎn)氣壓力導(dǎo)致電池變形破損。
通過上面的描述我們大致可以想象出導(dǎo)致電池衰減的原因，那么又是哪些具體的應(yīng)用場景導(dǎo)致了上述的情況發(fā)生呢？本篇主要來梳理一下電池的具體衰減場景和影響因素。
1.正負(fù)極材料脫落和老化
電池在不斷的充放電過程中正負(fù)極會不斷進(jìn)行收縮和膨脹變化，不可避免的會產(chǎn)生正負(fù)極材料在集流體上的脫落，使得可嵌入Li+的晶格數(shù)量下降，從而影響了電池容量。下圖是磷酸鐵鋰正極材料產(chǎn)生反應(yīng)的拓?fù)渥兓?，在充放電過程中正極材料發(fā)生LiFePo4和FePo4的轉(zhuǎn)化，由于整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好，不容易發(fā)生晶格塌陷的情況。但有些正極材料（如LCO）結(jié)構(gòu)容易被破壞，導(dǎo)致正極材料的活性物質(zhì)損失。
2. SEI膜分解與再生成質(zhì)量要求
在電池原理的介紹中提到電解液在化成過程中會和負(fù)極發(fā)生界面反應(yīng)，消耗一部分Li+形成SEI膜；這個SEI膜能起到保護(hù)電極的作用，理論上如果SEI膜足夠穩(wěn)定就能夠防止電解液與負(fù)極材料繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。但在實際中SEI膜或多或少會不斷的分解和再生成，在這個過程中就會造成正負(fù)極材料、電解液、以及Li+的持續(xù)損失（這也是導(dǎo)致電池自放電的部分原因）。并且SEI膜的不斷增厚會造成負(fù)極表面擴散孔道的堵塞，不利于Li+的擴散，這也就導(dǎo)致了電池內(nèi)阻的不斷增大。
3.產(chǎn)生析鋰（過流、低溫）需要低溫加熱功能配置
當(dāng)電池超過可承受的倍率電流運行的時候，大量的Li+來不及嵌入電極，導(dǎo)致在電極表面大量的Li+堆積，最終在電極表面形成了金屬鋰枝晶。這種情況尤其容易出現(xiàn)在低溫充電過程中，一方面在低溫環(huán)境下離子移動嵌入速度本身就會大幅下降，另一方面Li+從正極脫出的速度比在負(fù)極嵌入的速度更快，因此在低溫環(huán)境控制充電電流尤為重要。除此之外電解液不均勻，水含量超標(biāo)等原因等可能導(dǎo)致析鋰問題。
4.隔膜損傷（避免高溫）確保溫度均衡
首先電池電極表面一旦存在金屬鋰枝晶，則就有可能刺穿隔膜，引發(fā)正負(fù)極的短路。除此之外隔膜在高溫環(huán)境下會分解和收縮，這種情況下也會引起短路。而一旦正負(fù)極短路，那么電子就無需通過外部電路即可到達(dá)正極，那么電池的整個電化學(xué)反應(yīng)就失控了，產(chǎn)生過流、過溫的現(xiàn)象從而進(jìn)一步損傷電池，并引起熱失控等更嚴(yán)重的問題。圖片顯示實驗室環(huán)境25度與45度使用下電池的壽命下降接近一倍。
5.電解液的損耗和分解（過壓、欠壓）
前面提到SEI膜的生成過程就會損失一部分的電解液，同時電池電解液的配方是根據(jù)該電池的電壓工作區(qū)間確定，因此不合理的使用電池（過壓欠壓）也會造成電解液的分解。例如當(dāng)電池過充時，即正極材料化合價升高（過多失去電子），此時正極材料還原性很強，就容易通過與電解液發(fā)生反應(yīng)來得到電子，反應(yīng)不僅消耗了電解液和正極材料，同時還會生成氣體引發(fā)機械形變和漏液的隱患。
6.集流體氧化（質(zhì)量要求）
集流體長期和電解液接觸過程中會被氧化，正集流體表面形成的氧化鋁，負(fù)集流體表面形成氧化銅；隨著氧化程度的加劇，電子導(dǎo)通性能就收到影響，相當(dāng)于電池的歐姆阻抗隨著充放電循環(huán)會不斷的增大
工業(yè)車輛鋰電池實際應(yīng)用中關(guān)注點
1.防止低溫充電，鋰電池實驗室的溫度通常在25度，低溫充電造成壽命縮短。尤其是長江以地區(qū)在冬季中的使用，在購買階段就要選購自帶充電加熱功能的鋰電池。調(diào)整BMS參數(shù)讓其在零度以下環(huán)境中強行充電都是以犧牲電池質(zhì)量壽命為代價。
2.杜絕高溫使用，高溫環(huán)境影響使用壽命巨大，磷酸鐵鋰電池實際的使用溫度上限在55度左右，過高的溫度同樣需要犧牲壽命。鋰電池高溫來自內(nèi)部散熱平衡及外部熱源。對于工廠來自技術(shù)的支持主要采用方法。調(diào)整BMS參數(shù)讓其在55以上環(huán)境中強行充電都是以犧牲電池質(zhì)量壽命為代價。
內(nèi)部工藝
1.電芯單體采用鋁殼加強散熱性能，選用一致性最好的電芯配組，棄用內(nèi)阻大的垃圾電芯。
2.激光焊接模的組表面是整面的鋁板多點焊接工藝，相對于落后的螺絲銅條的連接既防止了大電流連接不良的安全風(fēng)險又確保了大面積鋁板的散熱效果。
3.箱體內(nèi)部水循環(huán)散熱設(shè)計部分汽車工藝要求（最好的技術(shù)）。
4.部分廠家采取加裝風(fēng)扇的附屬裝置，這種工藝的不足之處在于犧牲電池的基本防水要求。安全性能得不到保證，同時開放的空間加上外部空氣流入流出很容易讓電芯表面形成厚厚的灰塵反而無法起到散熱的作用，如果外部熱源高于內(nèi)部更是熱上加熱。
手工軟連接形成模組工藝 螺絲 銅片 溫控傳感器 （散熱面積小 防震動差）
外部熱源
1.避免陽光下直接爆曬，夏日直曬下表面溫度會超過55度，導(dǎo)致保護(hù)性停機
2.避免鋰電池附近的液壓油及電機使用問題高溫形成熱源過高溫度保護(hù)性停機。
3.隔絕熱源鋰電池采取多種設(shè)計與熱源隔絕，車體之間避免直接熱傳導(dǎo)。
