锂电池行业人员不得不知的影响锂离子电池循环性能的因素

　循环性能对锂离子电池的重要程度无需多言，就宏观来讲，更长的循环寿命意味着更少的资源消耗，因而，影响锂离子电池循环性能的因素，是每一个与锂电行业相关的人员都不得不考虑的问题。

　　1、水分

　　过多的水分会与正负极活性物质发生副反应、破坏其结构进而影响循环，同时水分过多也不利于SEI膜的形成，但在痕量的水分难以除去的同时，痕量的水也可以一定程度上保证电芯的性能。

　　2、正负极压实

　　正负极压实过高，虽然可以提高电芯的能量密度，但是也会一定程度上降低材料的循环性能，从理论来分析，压实越大，相当于对材料的结构破坏越大，而材料的结构是保证锂离子电池可以循环使用的基础;此外，正负极压实较高的电芯难以保证较高的保液量，而保液量是电芯完成正常循环或更多次的循环的基础。

　　3、测试的客观条件

　　测试过程中的充放电倍率、截止电压、充电截止电流、测试中的过充过放、测试房温度、测试过程中的突然中断、测试点与电芯的接触内阻等外界因素，都会或多或少影响循环性能测试结果，另外，不同的材料对上述客观因素的敏感程度各不相同，统一测试标准并且了解共性及重要材料的特性应该就足够日常工作使用了。

　　4、负极过量

　　负极过量的原因除了需要考虑首次不可逆容量的影响和涂布膜密度偏差之外，对循环性能的影响也是一个考量，对于钴酸锂加石墨体系而言，负极石墨成为循环过程中的"短板"一方较为常见，若负极过量不充足，电芯可能在循环前并不析锂，但是循环几百次后正极结构变化甚微但是负极结构被破坏严重而无法完全接收正极提供的锂离子从而析锂，造成容量过早下降。

　　5、涂布膜密度

　　单一变量的考虑膜密度对循环的影响几乎是一个不可能的任务，膜密度不一致要么带来容量的差异、要么是电芯卷绕或叠片层数的差异，对同型号同容量同材料的电芯而言，降低膜密度相当于增加一层或多层卷绕或叠片层数，对应增加的隔膜可以吸收更多的电解液以保证循环，考虑到更薄的膜密度可以增加电芯的倍率性能、极片及裸电芯的烘烤除水也会容易些，当然太薄的膜密度涂布时的误差可能更难控制，活性物质中的大颗粒也可能会对涂布、滚压造成负面影响，更多的层数意味着更多的箔材和隔膜，进而意味着更高的成本和更低的能量密度，所以，评估时也需要均衡考量。

　　6、材料种类

　　材料的选择是影响锂离子电池性能的第一要素，选择了循环性能较差的材料，工艺再合理、制成再完善，电芯的循环也必然无法保证;选择了较好的材料，即使后续制成有些许问题，循环性能也可能不会差的过于离谱，从材料角度来看，一个全电池的循环性能，是由正极与电解液匹配后的循环性能、负极与电解液匹配后的循环性能这两者中，较差的一者来决定的，材料的循环性能较差，一方面可能是在循环过程中晶体结构变化过快从而无法继续完成嵌锂脱锂，一方面可能是由于活性物质与对应电解液无法生成致密均匀的SEI膜造成活性物质与电解液过早发生副反应而使电解液过快消耗进而影响循环。在电芯设计时，若一极确认选用循环性能较差的材料，则另一极无需选择循环性能较好的材料，浪费。

　　7、电解液量

　　电解液量不足对循环产生影响主要有三个原因，一是注液量不足，二是虽然注液量充足但是老化时间不够或者正负极由于压实过高等原因造成的浸液不充分，三是随着循环电芯内部电解液被消耗完毕。第三点，正负极特别是负极与电解液的匹配性的微观表现为致密且稳定的SEI的形成，而右眼可见的表现，既为循环过程中电解液的消耗速度，不完整的SEI膜一方面无法有效阻止负极与电解液发生副反应从而消耗电解液，一方面在SEI膜有缺陷的部位会随着循环的进行而重新生成SEI膜从而消耗可逆锂源和电解液。不论是对循环成百甚至上千次的电芯还是对于几十次既跳水的电芯，若循环前电解液充足而循环后电解液已经消耗完毕，则增加电解液保有量很可能就可以一定程度上提高其循环性能。　　在移动设备的设计中，电池的工作时间是一项重要的因素。许多移动设备都加入了更多的功能，这些新增的功能会快速地缩短运行时间。工程师必须利用复杂的电源管理方案，以便使电池获得最长的运行时间。

　　工程师需要运用电池消耗分析来评估电池运行时间，这种分析需要分别在单独及整合在系统之中这两种情况下来描述设备、固件/软件及其子电路。分析技术包括描述电池电流消耗，以及如何受各种工作模式及使用概况的影响。借助于这种分析，工程师就可以做出电源管理设计权衡，以尽量延长电池寿命。

　　大多数电源管理系统都是通过在亚毫秒时间尺度上使没有在活跃使用中的子系统进入睡眠状态来节省电池能量的。其结果是，设备在不到1s内发生的开/关事件中具有快速变化的电流。例如，GSM手机在传输时可以具有560μs, 2A的脉冲，接着当处于待机模式下，在睡眠周期中电流水平可能会跌落到毫安级。

　　验证电池时间

　　验证电池工作时间的一种方法是使用电压跌落测试，使用一块充满电的电池来给待验证的、处于工作模式下的待测设备(DUT)供电，直到电池没电。这种测试可能相对比较耗时间，因为它需要全部过程运行完成来确定电压关闭点，以确定工作时间。同样，其结果依赖于电池的初始状态，而后者可能会千差万别。

　　另一种方法是执行电流消耗测量，它能为工作时间测量提供更高的可信度。DUT被置于待评估的工作模式下运行一小段时间，并测量在这种特定工作模式中的电流消耗。然后，通过将名义电池容量除以测得的电流消耗来计算出工作时间。使用这种方法，设计师无须等待电池充分放电就能确定出运行时间。

　　理想系统的组成部分

　　在用于执行电池消耗分析的理想系统中(如图1所示)，需要的第一个要素是一种将DUT放入适当的工作模式中进行目标测试(DUT激励)的方法。对于移动电话而言，通常会使用基站仿真器。

　　其次，需要一种正确的DUT供电方法，使用电池或电源。电源的用途在于独立于电池来测试DUT，以确保测试的一致性，或者快速地复制各种电池状态而无须等待电池达到这些状态(充满电、部分放电、完全放电/寿命结束)。

　　其他重要的系统组成部分有：用于测量电流的电流转换器，用于记录电压和电流信号的数字化仪和用于分析和存储测试数据的软件，这些测试数据用于完成长期测试会非常庞大，能多达数吉字节。

　　测量考虑因素

　　电池消耗分析中使用的电源必须独立于电池来描述DUT。电源必须有快速的响应，以尽量减小DUT在切换模式或传输脉冲时所具有的快速回转电流脉冲所造成的瞬态电压跌落。

　　许多通用电源在这些条件下可能会出现高达1V的瞬态跌落，所以应该使用能够容忍这些条件而不出现电压下降的专用电源(有时称为电池仿真电源)。

　　从电池流向移动设备的快速变化的电流波形提出了两项测量难题：范围和速度。首先，电流的动态范围可能会超过1000:1，甚至1 000 000:1。全功率活动电流位于1～3A的量级，而低睡眠模式等级的电流位于数十微安的量级，所以待测电流的范围给电流转换器的选择提出了一项难题。

　　这里可以使用电流感知的电阻器或分流器，但选择大小合适的分流器却可能颇为棘手。如果分流器的大小适合于测量最小电流，那么在大电流事件中就会在分流器两端出现大的电压降幅，而这将给电路带来不可承受的电压负担。如果分流器的大小适合于测量大电流，那么当微安级电流流过时，就极有可能没有足够大的电压可供测量。通过配备几种分流器用于不同电流大小的测量，工程师可以解决信号级的问题，但这时切换分流器就意味着中断测量。

　　就测量速度而言，用于测量电流分流器电压和移动设备偏置电压的数字化仪应该具有50kHz或更快的采样率，以便捕获亚毫秒级脉冲，后者是复杂的电源管理方案的特征。

　　简化复杂的分析

　　像3G这样的通信系统采用复杂的调制格式，其特征是传输较高的数据率时所需的高阶幅度调制。从时域上看，生成的电流消耗波形是复杂而随机的。

　　当在较长时间内运行并进行不同的操作时，使用3个数据通道进行传输的一台cdma2000手机的射频功率放大器的电流消耗-时间图(如图2所示)变得复杂而不可预测。对于电池工作时间测试而言，这种情况很常见，并且难以观察到更改电流消耗设计的效果。

　　通过查看被抽取电流大小的统计分布，设计人员可以快速地看到设备在每种电流状态中工作的频繁程度。对于不同设计方案，比较这些CCDF图形，就可以看出设备何时消耗更多的能量(也就是说，在大电流状态下其时间的比例增加)，或者何时消耗更少的能量(也就是说，在小电流状态下其时间的比例增加)。因此，工程师就可以评估出何时设计更好(需要较少的能量)或者找出设计缺陷(出人意料的需要更多能量)。

　　现成的解决方案

　　几家测试设备供应商所生产的产品可处理目标测试系统的不同部分。一些供应商所提供的电源可以在抽取快速电流脉冲时提供稳定的、类似于电池的输出。

　　入门级解决方案是安捷伦科技公司的移动通信直流源66300系列。这一系列是特别定制的，用于给移动设备供电并同时测量其电流消耗。它整合了电池仿真电源和类似于示波器的高速数字化测量系统，可以为设备的活动、待机和关闭模式提供准确的电流测量。

　　这种直流源及其配套的交钥匙软件可以使用户在无须任何编程的情况下，以类似于示波器的视图、数据记录仪视图并在CCDF图表上看到它们的电流波形。如果对精度和采样速率有更高的要求，还可以选择该公司提供的其他解决方案。