三元锂电池衰减的主要原因有哪些？
来源：宝鄂实业
2019-08-07 11:24
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三元锂电池容量衰减的原因，三元锂电池寿命是多久？三元锂电池寿命是指电池在使用过一段时间后，容量衰减为标称容量的70%，即可认为寿命终止。对于传统电池来说，三元锂电池具有寿命长，节能环保无污染，维护成本低，充放电完全，重量轻等等优势。
目前市面上在售的电动车基本都是使用锂离子电池，不过锂离子电池还有两种类型，分别是三元锂电池和磷酸铁锂电池。今天我们就来介绍一下三元锂电池的优缺点、寿命和三元锂电池容量衰减的原因。
三元锂电池是继镉镍电池、氢镍电池之后发展最快的二次电池。锂离子电池的应用很大程度取决于其充放电循环的稳定性,和其它二次电池一样,锂电池在循环过程中容量衰减是不可避免的。
大倍率充放电也会造成三元锂电池容量损失，这是因为正负极在充放电过程会发生体积收缩和膨胀，而充放电电流越大，收缩膨胀越剧烈，应力越大，从而正负极的颗粒在体积快速变化中更容易发生破裂或者从集流体剥离，导致循环衰减加快。
温度绝对是影响三元锂电池寿命的关键因素之一，过高的温度或过低的温度都会造成活性锂离子含量的降低，从而减少锂电池寿命。
影响三元锂电池容量衰减的本质是可脱嵌锂离子含量的降低，其因素主要是正负极材料的结构破坏或失活、电解液的分解、锂电池的滥用等等。电池的充放电过程是一个复杂的电化学过程，导致电池容量衰减的因素也不是单一的，并且一个方面的恶化有可能会引发其他因素来共同影响电池的容量、循环性能、能量密度等。
三元锂电池寿命是多久？
三元锂电池的理论寿命约为800次循环，在商业化的可充电锂电池中属于中等。磷酸铁锂电池约为2000次，而钛酸锂据说可以达到1万次循环。目前主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中承诺大于500次（标准条件下充放电），但是电芯在配组做成锂电池包后，由于一致性问题，主要是电压和内阻不可能完全一样，其循环寿命大约为400次。厂家推荐SOC使用窗口为10%~90%，不建议进行深度充放电，不然会对电池的正负极结构造成不可逆的损伤，若是以浅充浅放来计算的话，循环寿命至少有1000次。
按照目前三元锂电池的技术水平，如果使用得当，在电动汽车上起码可以使用5年以上了。如果使用不当，则2-3年锂电池寿命就衰减完了。所谓使用得当与否，主要是看三元锂电池是否能够遵守浅充浅放的原则，不要过度使用。
三元锂电池寿命，理论上来讲，三元锂电池寿命是2000次充放电循环，我们算作一天一充，也能维持5年多。不过实际上使用与理论还是有区别的，如果进行1000次充放电循环，实质上三元锂电池已经衰减了50%，也就是说充满电只能跑原来里程的一半。所以如何避免这种情况呢？随用随充，不要把电耗尽才去充电。另外，优秀的电池管理系统也能减缓三元锂电池衰减。
三元锂电池优缺点
三元锂电池占了相当多一部分，这是因为三元锂电池体积更小、能力密度更高、耐低温、循环性能也更好，所以成为新能源乘用车的主流。三元锂电池在容量与安全性方面比较均衡，是一款综合性能优异的电池。三种金属元素的主要作用和优缺点如下：
Co3+：减少阳离子混合占位，稳定材料的层状结构，降低阻抗值，提高电导率，提高循环和倍率性能。
Ni2+：可提高材料的容量（提高材料的体积能量密度），而由于Li和Ni相似的半径，过多的Ni也会因为与Li发生位错现象导致锂镍混排，锂层中镍离子浓度越大，锂在层状结构中的脱嵌越难，导致电化学性能变差。
Mn4+：不仅可以降低材料成本，而且还可以提高材料的安全性和稳定性。但过高的Mn含量会容易出现尖晶石相而破坏层状结构，使容量降低，循环衰减。
能量密度高是三元锂电池的最大优势，而电压平台是电池能量密度的重要指标，决定着电池的基本效能和成本，电压平台越高，比容量越大，所以同样体积、重量，甚至同样安时的电池，电压平台比较高的三元材料锂电池续航时间更长。
三元锂电池的缺点也导致采用了三元锂电池的新能源客车没有办法进入新能源车型目录，原因是安全性。三元锂电池热稳定性较差，在250-300℃高温就会产生分解，并且三元锂材料的化学反应尤其强烈，一旦释放氧分子，在高温作用下电解液迅速燃烧，随即发生爆燃现象。所以我们能够看到，在极端的碰撞事故中，特斯拉等电动汽车依然还是有起火隐患。
一、正极材料的结构变化
正极材料是锂离子的主要来源，当锂离子从正极中脱出时候，为了维持材料电中性状态，金属元素必然会被氧化到达一个高的氧化态，这里就伴随了组分的转变。组分的转变容易导致相转移和体相结构的变化。电极材料相转变可以引起晶格参数的变化及晶格失配，由此产生的诱导应力引起晶粒的破碎，并引发裂纹的传播，造成材料的结构发生机械破坏，从而引起电化学性能衰减。
二、负极材料结构
商业化锂电池常用的负极材料有碳材料、钛酸锂等，本文以典型负极石墨进行分析。锂电池容量的衰减第一次发生于化成阶段，在这个阶段会在负极表面形成SEI，消耗部分锂离子。
随着锂电池使用，石墨结构的变化也会造成电池容量下降。LIU等研究了LiFePO4/C电池的容量衰减机制，同样适用于三元锂电池，研究发现循环后的碳材料虽然保持了石墨的形貌结构，但是其晶面的半高宽变大，导致c轴方向的晶粒尺寸变小，晶体结构的改变导致碳材料出现裂纹，进而破坏负极表面的SEI膜并促进SEI膜的修复，SEI膜的过度生长消耗活性锂，因此造成了电池的不可逆容量衰减。
