關(guān)于鋰電池實(shí)際應(yīng)用中的容量衰減及使用壽命詳解
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-16 19:17
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鋰電池衰減定義為性能衰減和安全性衰減兩類(lèi)。同時(shí)為了便于理解還提出一個(gè)類(lèi)比模型，若電池像是一個(gè)城市，那么電池正極狀態(tài)反應(yīng)的是城市有的工作崗位，電池負(fù)極代表城市里的住宅公寓，Li+則是城市中的就業(yè)人員。
性能衰減：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(duì)應(yīng)的也就是正負(fù)極活性材料減少和可移動(dòng)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(lái)越遠(yuǎn)。也就是電池歐姆阻抗增大，導(dǎo)電性能下降，Li+運(yùn)動(dòng)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(méi)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(xiǎn)增大：隔膜受損破裂或受熱收縮。
2.機(jī)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(guò)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(chǎng)景導(dǎo)致了上述的情況發(fā)生呢？本篇主要來(lái)梳理一下電池的具體衰減場(chǎng)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(guò)程中正負(fù)極會(huì)不斷進(jìn)行收縮和膨脹變化，不可避免的會(huì)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(guò)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(guò)程中會(huì)和負(fù)極發(fā)生界面反應(yīng)，消耗一部分Li+形成SEI膜；這個(gè)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(shí)際中SEI膜或多或少會(huì)不斷的分解和再生成，在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)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(huì)造成負(fù)極表面擴(kuò)散孔道的堵塞，不利于Li+的擴(kuò)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(guò)流、低溫）需要低溫加熱功能配置
當(dāng)電池超過(guò)可承受的倍率電流運(yùn)行的時(shí)候，大量的Li+來(lái)不及嵌入電極，導(dǎo)致在電極表面大量的Li+堆積，*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(guò)程中，一方面在低溫環(huán)境下離子移動(dòng)嵌入速度本身就會(huì)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(wèn)題。如果當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)上的電池容量衰減到初始容量的80%以下時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程將會(huì)明顯減少，當(dāng)電池容量衰減到70%以下時(shí)，就必須要更換電池了。
對(duì)于目前的很多純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，電池的成本大約占汽車(chē)總成本的40%左右，也就是說(shuō)，更換電池就相當(dāng)于換了小半個(gè)車(chē)。
