到底是什么因素影响着锂离子动力电池的使用寿命?

李浩晨

【第一电动网】(特约作者 李浩晨)锂离子动力电池单体并不能满足电动汽车的动力需求,因此电动汽车必须采用多块电池进行串联、并联构成的动力电池组来提供电动汽车使用能量。从目前的锂离子动力电池单体制造工艺水平来看,生产过程中的各种因素影响使得同一型号的单体电池也会在电压、容量、内阻等方面产生偏差。动力电池组的性能决定于电池单体的性能,但绝不是单体电池性能的简单累加。由于单体电池性能不一致性的存在,使得动力电池组在电动汽车上进行反复使用时,动力电池组产生各种问题从而导致使用寿命缩短。

受限于目前的锂离子动力电池技术发展瓶颈,对动力电池使用寿命的影响因素进行研究,并解决相关问题用以延长动力电池的使用寿命显得十分重要。这将有助于锂离子动力电池在电动汽车的发展,提高锂离子动力电池的使用效率。

到底是什么因素影响着锂离子动力电池的使用寿命?

动力电池单体使用寿命的影响因素

针对在电动汽车上使用的动力电池使用寿命终了,定义是电池的衰减量达到初始容量的20%。动力电池的使用寿命在电动汽车上反复充放电时,会由于锂离子电池内部的副反应不断发生使得电池本体材料性质而发生衰退。这种衰退是由于以下几个方面产生:电极材料晶格结构的改变;电极材料发生分解、剥落或腐蚀造成活性材料减少;电解液分解消耗引起的导电性下降和阻抗增加;由于负极析锂或副反应造成可脱嵌的锂离子被消耗;副反应生成的气体、不溶物质以及粘结剂改性和集流体腐蚀引起的阻抗增加。

从实际使用环境条件来看,影响动力电池单体使用寿命的因素主要包括充放电截止电压、充放电倍率、使用温度以及搁置条件。

已经有很多资料文献表明在一定范围内,不同充电截止电压的循环寿命分别随充电电压越高而越短。这说明充电截止电压对电池使用寿命的影响非常大。高的充电截止电压会加剧电池副反应的发生导致电池使用寿命缩短。动力电池在整车上使用时,由于电动汽车的各种行驶状况使得电池易出现衰退而在较高电位区域充放电时性能下降较严重。

动力电池在电动汽车的使用过程中为满足不同的驾驶工况从而采用不同的充放电倍率。对动力电池倍率充放电的研究表明大倍率充放电会加速电池容量的衰减,充放电倍率越大,电池容量衰减越快。这主要是由于正极材料结构和性质的改变以及负极表面膜增厚导致锂离子扩散困难造成的。如果充放电倍率过大的话,还有可能造成单体电池过热、短路引起爆炸等。

不同的动力电池有不同的最佳使用温度,过高或过低的温度都会对电池的使用寿命产生影响。随着温度的降低,锂离子动力电池的放电容量会有所降低。这是因为随着温度的降低,电解液的离子电导率随之降低,引起电池内阻迅速增大,导致电池在低温时输出性能变差。

动力电池在搁置不使用的条件下,会由于电池本身的性质发生自放电、正负极材料钝化、电解液分解等情况。有实验结果表明负极SEI性能不稳定会导致负极活性材料快速衰退,并

容易产生锂金属析出,而形成稳定SEI膜的锂电池可以在高温条件下储存超过4年,同时不同的电解液组份对电极材料的衰退影响程度不同。

单体的不一致性对动力电池组的影响

电池单体的不一致性主要是在制造过程中产生,由于工艺水平使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别。这种电池内部结构上的不一致性就会使同一批次出厂的同一型号电池的电压、容量、内阻等不可能完全一致。单体电池的不一致性对动力电池组使用寿命的影响分为电压的不一致性、容量的不一致性以及内阻的不一致性。

在单体电池成组的过程中,如果电压的不一致性较大,会造成低压电池与正常电池一起使用时成为电池组的负载。因为当并联的两节电池中存在低压电池,那么会发生互充电现象,其他电池将会给该电池充电。这种连接方式会使得低压电池的容量小幅度增加而高压电池容量大幅度减少,能量损耗在互充电上达不到理想的对外输出。

初始容量不一致在电池成组前经过筛选已经大大减小,在使用过程尽管可以通过电池单体单独充电方式来平衡单体电池初始容量的不同。但电动汽车的连续充放电循环过程使得这种不一致性在某种程度上会放大,容量随循环的衰减速度不同,随着电池循环次数的增加,容量的差异就会越来越大。这样会使得单体电池的容量加剧衰减带动整个电池组的容量衰减。

内阻的不一致性使得单体电池在电池组内的电压电流分配不均,局部出现过压充电或欠压放电。内阻的不一致性还会使单体电池在放电过程中热量的损失不等,内阻越大则温度升高的速度越快,有可能最终造成热失控。

电压、容量、内阻等各类不一致性导致电池单体寿命与电池组寿命出现差异,主要表现在温度差异、充放电倍率差异、放电深度差异和可用容量差异上。比如放电深度的差异,由于电池单体初始容量的差异,大部分电池还处于浅放电的状况下,低容量的电池单体已经深度放电。

总结

影响动力电池组寿命的因素较多且相互作用,致使电池组性能容易出现比较严重的衰退,尤其在高温低温或过充放电这类条件下并缺乏有效的管理和控制时,电池组的性能将进一步衰退。另外,大量单体电池的串联与并联使得容量和性能较差的某个单体限制了整个电池组的性能,进而限制了电池组的充分使用。

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