鋰離子電池放電容量影響因素分析

隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池容量將會(huì)不斷衰減，當(dāng)容量衰減至額定容量的75%~80%時(shí)，認(rèn)為鋰離子電池進(jìn)入失效狀態(tài)。放電倍率、電池溫升、環(huán)境溫度對(duì)鋰離子電池放電容量有較大影響。本文對(duì)電池采用恒壓恒流充電、恒流放電的充放電準(zhǔn)則，將放電倍率、電池放電溫升、環(huán)境溫度依次作為變量和定量進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，分析不同正極材料下，放電倍率、電池放電溫升、環(huán)境溫度以及循環(huán)次數(shù)對(duì)鋰離子電池放電容量的影響。

一、電池基本實(shí)驗(yàn)方案

正、負(fù)極材料不同，循環(huán)壽命差異較大，影響電池的容量特性。磷酸鐵鋰(LFP)和鎳鈷錳三元材料(NMC)以其獨(dú)特優(yōu)勢廣泛用作鋰離子二次電池的正極材料。由表1可知，NMC電池的額定容量、標(biāo)稱電壓、放電倍率值都高于LFP電池。

將LFP和NMC的鋰離子電池按照一定的恒流恒壓充電、恒流放電規(guī)則進(jìn)行充放電，在充放電過程中記錄充放電截止電壓、放電倍率、電池溫升、實(shí)驗(yàn)溫度、電池容量的變化情況。

二、放電倍率對(duì)放電容量的影響

固定溫度和充放電規(guī)則，將LFP電池和NMC電池按照不同放電倍率進(jìn)行恒流放電。調(diào)整溫度分別為：35、25、10、5、-5、-15℃。

由圖1可知，相同溫度下，通過增加放電倍率，LFP電池放電容量整體呈現(xiàn)衰減趨勢。相同放電倍率下，低溫變化對(duì)LFP電池放電容量影響較大。

當(dāng)溫度降到0 ℃以下時(shí)，放電容量衰減嚴(yán)重并出現(xiàn)容量不可逆現(xiàn)象。值得說明的是，LFP 電池在低溫和大放電倍率的雙重影響下加重放電容量的衰減。相比LFP電池，NMC電池對(duì)溫度更為敏感，放電容量隨環(huán)境溫度、放電倍率變化顯著。

由圖2可知，相同溫度下，NMC電池放電容量整體呈現(xiàn)先衰減后回升的趨勢。相同放電倍率下，溫度越低則放電容量越少。

隨著放電倍率的升高，鋰離子電池持續(xù)出現(xiàn)放電容量衰減現(xiàn)象，究其原因是由于極化嚴(yán)重，放電電壓提前減小到放電截止電壓，即放電時(shí)間縮短， 放電不充分，負(fù)極Li+ 沒有脫嵌完全。電池放電倍率在1.5 ～3.0時(shí)，放電容量開始顯現(xiàn)不同程度的回升跡象。由于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，電池本身的溫度會(huì)隨放電倍率的增加而顯著升高，Li+熱運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)、擴(kuò)散速度加快，使得 Li+脫嵌速度加快，放電容量回升。由此得出，大放電倍率和電池本身溫升的雙重影響導(dǎo)致了電池的不單調(diào)現(xiàn)象。

三、電池溫升對(duì)放電容量的影響

NMC電池在30℃下分別進(jìn)行2.0 、2.5 、3.0 、3.5 、4.0 、4.5C放電實(shí)驗(yàn)，得出的放電容量與鋰離子電池溫升變化關(guān)系曲線如圖3所示。

由圖3可知，相同放電容量下，放電倍率越高，溫升變化越顯著。在相同放電倍率下對(duì)恒流放電過程的三個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析可知，溫度升高主要在放電初期和后期。

四、環(huán)境溫度對(duì)放電容量的影響

鋰離子電池的最佳工作溫度是25～40 ℃。由表 2、表3對(duì)比可看出，當(dāng)溫度低于5℃時(shí)，兩類電池放電迅速、放電容量顯著減少。

低溫實(shí)驗(yàn)后恢復(fù)高溫，相同溫度下，LFP電池放電容量減137.1mAh，NMC電池減少47.8mAh，但溫升與放電時(shí)間并無改變。可見LFP熱穩(wěn)定性良好，僅在低溫下表現(xiàn)出較差的耐受性，電池容量出現(xiàn)不可逆的衰減;而NMC電池對(duì)溫度變化敏感。

五、循環(huán)次數(shù)對(duì)放電容量的影響

圖4為鋰離子電池容量衰減曲線示意圖，將放電容量在0.8Q記為電池失效點(diǎn)。隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，放電容量開始呈現(xiàn)衰減。

將1600mAh的LFP電池以充電0.5C放電0.5C進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行600次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以電池容量的80%作為電池失效判別標(biāo)準(zhǔn)。以100 為間隔次數(shù)對(duì)放電容量及容量衰減相對(duì)誤差的百分比進(jìn)行分析，如圖5所示。

將2000mAh的NMC電池以充電1.0C放電1.0C進(jìn)行充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以電池容量的80%作為壽命截止時(shí)的電池容量。取前700 次，以100為間隔次數(shù)對(duì)放電容量以及容量衰減相對(duì)誤差的百分比進(jìn)行分析，如圖6所示。

LFP電池和NMC電池在循環(huán)次數(shù)為0時(shí)的容量均為額定容量，但通常實(shí)際容量小于額定容量，故在第一個(gè)100次循環(huán)后，放電容量衰減嚴(yán)重。LFP電池循環(huán)壽命長，理論壽命是1 000 次;NMC電池理論壽命是300 次。經(jīng)歷相同的循環(huán)次數(shù)，NMC電池容量衰減速度較快;當(dāng)循環(huán)次數(shù)為600 時(shí)，NMC電池容量衰減接近失效閾值位置。

六、結(jié)論

通過對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，以正極材料、放電倍率、電池溫升、環(huán)境溫度和循環(huán)次數(shù)五個(gè)參數(shù)作為變量，分析了容量相關(guān)特性與不同影響因素之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

(1)在電池額定溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)母邷貙?duì)Li+的脫嵌和嵌入有促進(jìn)作用。尤其是對(duì)放電容量來說，放電倍率越大，生熱速率越大，鋰離子電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)越明顯。

(2)LFP電池在充放電過程中對(duì)高溫、放電倍率表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性;對(duì)低溫有較差的耐受性，放電容量衰減嚴(yán)重，升溫后不可恢復(fù)。

(3)在相同的充放電循環(huán)次數(shù)下，LFP電池循環(huán)壽命長， NMC電池容量更快衰減至額定容量的 80%。

(4)與LFP電池相比，NMC電池放電容量對(duì)溫度更為敏感，并且在大放電倍率下，放電容量出現(xiàn)不單調(diào)性且溫升變化顯著。

　審核編輯：湯梓紅