開電動汽車的人都關心：充電倍率對鋰離子電池衰降的影響

來源：第一電氣網作者：劉進

隨著充放電次數的增加，鋰離子電池的容量逐漸下降，也就是我們所說的下降。直觀的感覺是動力越來越小。例如，當我們的手機剛買回來時，充滿電可以使用一整天，但充滿電只能使用半天。這是因為鋰離子電池的容量在使用中下降，這對消費電子產品來說相對容易。在電池容量下降太多之前，我們可能已經換了一部新手機。然而，要解決電動汽車的問題并不是那么容易，因為電動汽車是耐用且使用壽命長的產品。一般來說，汽車的使用壽命可以達到10年左右，在此期間可能會充電1000到2000次左右（假設每隔一天充電一次）。為了滿足消費者對電動汽車的需求，有必要對電動汽車鋰離子電池的使用壽命提出一定的要求。

影響鋰離子電池壽命的因素有很多，如工作溫度、充放電電流、充放電截止電壓等。鋰離子電池容量退化的機理也可分為三類：內阻和極化增加、正負活性材料損失、，和Li的損失，并且不同的外部因素對這三者有不同的影響。例如，由LiFePO4材料制成的電池通常具有非常好的循環性能，但德克薩斯大學阿靈頓分校的Derek N.Wong等人發現，使用條件對其循環壽命有重要影響。當Derek N.Wong分別用15C脈沖和15C連續放電對26650型LiFePO4電池進行放電時，這兩種放電系統對電池的影響完全不同。磷酸鐵鋰電池經15C脈沖放電后的容量下降非常快。40次后，它不能放電15C，但仍然可以放電1C，1C放電的下降率為6%/20次。然而，15C連續放電的電池容量較慢，60次后仍能放電15C，但1C速率的衰減速度快于15C脈沖放電，達到14%/20次。機理研究表明，15C脈沖放電的電池在負極的SEI膜中含有更多的LiF，而LiF更多地阻礙了鋰離子的擴散，這使得電池的Li+擴散阻抗和電荷交換阻抗迅速增加，從而使得電池在充放電過程中的極化電壓過高，從而導致LiFePO4的大電流放電容量迅速下降。

鋰離子電池的放電系統在很大程度上取決于用戶，一個好的放電系統可能不適用于某些用戶。然而，充電系統主要由設計者控制，因此研究充電系統對電池壽命下降的影響可以更好地指導我們設計鋰離子電池。北京交通大學的楊高等人研究了不同充電系統對鋰離子電池壽命下降的影響，提出了鋰離子電池的壽命下降模型。楊高的研究表明，當充電電流和截止電壓超過一定值時，鋰離子電池的衰退將大大加速。為了降低鋰離子電池的衰退率，有必要為不同的系統選擇合適的充放電電流和截止電壓。

在測試中，Yang Gao使用了商用18650電池，陽極材料為LiCoO2，陰極材料為石墨。測試了不同充電電流對電池衰減率的影響，結果如下圖所示。從下圖A可以看出，充電電流對鋰離子電池的衰減率有很大影響。在0.5C的充電速率下，電池的衰減率在前150個循環中為0.020%/循環，在150-800個循環后為0.0156%/循環，在800個循環之后為0.0214%/循環。在0.8C的充電速率下，電池的降解率在前150次為0.0243%/循環，在150-800次為0.175%/循環，在800次后為0.0209%/循環。對于1C速率充電，前150次的衰減率為0.032%/周期，150-600次的衰減速率為0.0188%/周期，600次之后的衰減速率則為0.0271%/周期。當在1.2攝氏度下充電時，前100次的衰減率為0.0472%/循環，100-400次的衰減速率為0.0226%/循環，400次后的衰減速率是0.0356%/循環。電池充電……

在1.5C的速率下充電與在其他速率下充電有很大不同，平均衰變率為0.078%/周期，比在其他速率充電快得多。從上述數據可以看出，鋰離子電池的衰變率也隨著充電率的增加而迅速增加，從曲線的斜率來看，電池的衰變速率有三個不同的階段，即早期衰變率較快的階段（第1階段），中間為衰減速率較慢的穩定階段（階段2），后期為衰減速率較慢的加速階段（階段3）。根據對三級電池降解機理的研究，認為第一階段SEI膜的生長可能會消耗一部分Li+，因此降解速度更快。在第二階段，隨著SEI膜結構的穩定，內部相對穩定，因此下降速度較慢。在第三階段，隨著電池的老化，活性材料的損失開始發生，電極的活性界面減少，導致電池對電流非常敏感。圖圖c是一個旨在研究不同截止電壓對電池下降速度的影響的實驗。從實驗結果可以看出，當充電截止電壓提高到4.3V時，電池的循環性能會急劇惡化，通過降低充電截止電壓可以有效提高電池的循環特性。

對電池動態內阻的分析如下圖所示。從圖A的測試結果來看，當充電電流小于1C時，電池動態內阻隨電池周期的變化趨勢幾乎相同，但當充電電流超過1C時，電池的動態內阻的增加速度將隨著充電速率的增加而迅速增加。從圖B中的測試結果來看，當截止電壓為4.3V時，電池的動態內阻增加得非常快，表明高截止電壓會使電池的動態條件惡化，并且當截止電壓分別為4.1V和4.2V時，蓄電池的動態內阻緩慢增加。。

從上面的分析中，我們可以注意到充電電流和充電截止電壓都有一個值。當充電電流或電壓超過這個值時，會加速電池電量的下降。對于上述電池，其值為1C和4.2V。當充電電流和截止電壓超過該值時，將加速電池的衰退。當它小于這個值時，增加充電電流和截止電壓不會顯著增加電池的下降速度。對充電電流和截止電壓對電池衰減率影響機理的研究表明，當充電電流低于1C時，主要影響正極和負極活性材料的損耗，而當截止電壓低于4.2V時，當充電電流和截止電壓高于該值時，正極和負極活性材料以及Li的損失將顯著加速。

撰文：望著籬笆來源：第一電氣網作者：劉錦

隨著充放電次數的增加，鋰離子電池的容量逐漸下降，也就是我們所說的下降。直觀的感覺是動力越來越小。例如，當我們的手機剛買回來時，充滿電可以使用一整天，但充滿電只能使用半天。這是因為鋰離子電池的容量在使用中下降，這對消費電子產品來說相對容易。在電池容量下降太多之前，我們可能已經換了一部新手機。然而，要解決電動汽車的問題并不是那么容易，因為電動汽車是耐用且使用壽命長的產品。一般來說，汽車的使用壽命可以達到10年左右，在此期間可能會充電1000到2000次左右（假設每隔一天充電一次）。為了滿足消費者對電動汽車的需求，有必要對電動汽車鋰離子電池的使用壽命提出一定的要求。

影響鋰離子電池壽命的因素有很多，如工作溫度、充放電電流、充放電截止電壓等。鋰離子電池容量退化的機理也可分為三類：內阻和極化增加、正負交流損耗……

ve材料和Li的損失，以及不同的外部因素對這三者的影響不同。例如，由LiFePO4材料制成的電池通常具有非常好的循環性能，但德克薩斯大學阿靈頓分校的Derek N.Wong等人發現，使用條件對其循環壽命有重要影響。當Derek N.Wong分別用15C脈沖和15C連續放電對26650型LiFePO4電池進行放電時，這兩種放電系統對電池的影響完全不同。磷酸鐵鋰電池經15C脈沖放電后的容量下降非常快。40次后，它不能放電15C，但仍然可以放電1C，1C放電的下降率為6%/20次。然而，15C連續放電的電池容量較慢，60次后仍能放電15C，但1C速率的衰減速度快于15C脈沖放電，達到14%/20次。機理研究表明，15C脈沖放電的電池在負極的SEI膜中含有更多的LiF，而LiF更多地阻礙了鋰離子的擴散，這使得電池的Li+擴散阻抗和電荷交換阻抗迅速增加，從而使得電池在充放電過程中的極化電壓過高，從而導致LiFePO4的大電流放電容量迅速下降。

鋰離子電池的放電系統在很大程度上取決于用戶，一個好的放電系統可能不適用于某些用戶。然而，充電系統主要由設計者控制，因此研究充電系統對電池壽命下降的影響可以更好地指導我們設計鋰離子電池。北京交通大學的楊高等人研究了不同充電系統對鋰離子電池壽命下降的影響，提出了鋰離子電池的壽命下降模型。楊高的研究表明，當充電電流和截止電壓超過一定值時，鋰離子電池的衰退將大大加速。為了降低鋰離子電池的衰退率，有必要為不同的系統選擇合適的充放電電流和截止電壓。

在測試中，Yang Gao使用了商用18650電池，陽極材料為LiCoO2，陰極材料為石墨。測試了不同充電電流對電池衰減率的影響，結果如下圖所示。從下圖A可以看出，充電電流對鋰離子電池的衰減率有很大影響。在0.5C的充電速率下，電池的衰減率在前150個循環中為0.020%/循環，在150-800個循環后為0.0156%/循環，在800個循環之后為0.0214%/循環。在0.8C的充電速率下，電池的降解率在前150次為0.0243%/循環，在150-800次為0.175%/循環，在800次后為0.0209%/循環。對于1C速率充電，前150次的衰減率為0.032%/周期，150-600次的衰減速率為0.0188%/周期，600次之后的衰減速率則為0.0271%/周期。當在1.2攝氏度下充電時，前100次的衰減率為0.0472%/循環，100-400次的衰減速率為0.0226%/循環，400次后的衰減速率是0.0356%/循環。以1.5攝氏度充電的電池與以其他速率充電的電池大不相同，平均衰減率為0.078%/周期，比以其他速率充的電池快得多。從上述數據可以看出，鋰離子電池的衰變率也隨著充電率的增加而迅速增加，從曲線的斜率來看，電池的衰變速率有三個不同的階段，即早期衰變率較快的階段（第1階段），中間為衰減速率較慢的穩定階段（階段2），后期為衰減速率較慢的加速階段（階段3）。根據對三級電池降解機理的研究，認為第一階段SEI膜的生長可能會消耗一部分Li+，因此降解速度更快。在第二階段，隨著SEI膜結構的穩定，內部相對穩定，因此下降速度較慢。在第三階段，隨著電池的老化，活性材料的損失開始發生，電極的活性界面減少，導致電池對電流非常敏感。圖圖c是一個旨在研究不同截止電壓對電池下降速度的影響的實驗。從實驗結果可以看出，當充電截止電壓提高到4.3V時，電池的循環性能會急劇惡化，電池的周期性能會……

通過降低充電截止電壓而有效地改善。

對電池動態內阻的分析如下圖所示。從圖A的測試結果來看，當充電電流小于1C時，電池動態內阻隨電池周期的變化趨勢幾乎相同，但當充電電流超過1C時，電池的動態內阻的增加速度將隨著充電速率的增加而迅速增加。從圖B中的測試結果來看，當截止電壓為4.3V時，電池的動態內阻增加得非常快，表明高截止電壓會使電池的動態條件惡化，并且當截止電壓分別為4.1V和4.2V時，蓄電池的動態內阻緩慢增加。。

從上面的分析中，我們可以注意到充電電流和充電截止電壓都有一個值。當充電電流或電壓超過這個值時，會加速電池電量的下降。對于上述電池，其值為1C和4.2V。當充電電流和截止電壓超過該值時，將加速電池的衰退。當它小于這個值時，增加充電電流和截止電壓不會顯著增加電池的下降速度。對充電電流和截止電壓對電池衰減率影響機理的研究表明，當充電電流低于1C時，主要影響正極和負極活性材料的損耗，而當截止電壓低于4.2V時，當充電電流和截止電壓高于該值時，正極和負極活性材料以及Li的損失將顯著加速。

撰稿人：看著圍欄

標簽：北京發現

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