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电池知识

锂电池容量衰退都有电池极化的影响吗?导致锂电池容量衰减的根本原因是什么?

来源:宝鄂实业    2019-05-09 18:53    点击量:

       锂离子电池越来越广泛地应用到人们的生产生活当中,这使得它的温度环境成为关注的要点,相对来说,锂电池更容易在高温环境下产生安全问题,因此,必须对锂电池进行高温性能的测试,并与其常温测试数据相比较。

 

  测试条件:选择两只比亚迪生产的950mAh063450方型锂电池,分别在25℃(常温)和60℃(高温)下进行。

 

  充放电制度设计:适用恒流恒压充电和恒流放电制度。充电终止电压为4.2V,放电终止电压为3.0V。首先以1C即950mA充电至4.2V,再以4.2V恒压充电直至电流达到20mA;然后以950mA恒流放电至3.0V,如此循环充放电300次。

 

  这里截取三个节点:即第50次、150次、300次充放电循环。

 

  一、在前50次循环过程中:

 

  1、25℃下的表现:容量衰减过程略有起伏,但并非线性,50次后的放电容量保持在96.6%;

 

  2、60℃下的表现:容量衰减过程接近于线性,50次后的放电容量保持在95.5%。

这说明,在50次以内较少的循环时,高温循环稳定性略差于常温循环稳定性。但这里有一个很重要的现象,即锂电池在高温条件下放出的电量高于电池的额定容量,这里的原因在于,高温时电解质的黏度降低,从而加快了锂离子的迁移速度,这时,不但放电容量高于额定容量,而且充入的电量更高。

 

  二、在前150次循环过程中:

 

  1、60℃下放出的容量每次都大于25℃时放出的容量;

 

  2、60℃下初始容量为1020mAh,高于额定容量,25℃下初始容量为930mAh ,但60℃时容量衰减较快。

 

  三、300次循环后的状态:这时,常温状态下的指标全面优化,在保持较慢的容量衰减速度时,其容量可以保持在800 mAh,而60℃时只有730 mAh。此时,60℃下的充放电电压平台越来越低,而常温下几乎不变。

 

  上述容量衰减的表现还可以从锂电池充电在不同温度下的电量补充情况进行佐证:在25℃下经过300次循环后,其恒流充电和恒压充电的比例变化不大,但在60℃时,恒流充电所获得的电量补充逐渐减少,而恒压阶段获得的电量显著增加。这是由于电池极化现象引起的。

 

  从本质上来说,锂电池容量衰退都有电池极化的影响,即锂离子扩散速度跟不上电子的转移速度使得电池正极容纳的锂离子越来越少。在60℃的高温下,这种极化过程很大程度地加剧,这也是导致锂电池容量衰减的根本原因。

锂电池目前的主要市场在于便携式终端设备的应用,譬如手机,笔记本电脑,这使得高容量一度成为锂电池开发的主攻方向,但在电动汽车和大型储电设备充分发展的背景下,锂离子电池研发的主要方向也呈现出多样化的趋势。

 

  传统的移动终端市场,例如手机和笔记本电脑之所以要求电池高容量,是因为它们往往需要充电一次即可使用很长时间,使用起来更加方便。风靡全球的苹果iphone和ipad等就曾一度因一次充电后使用时间不长而遭到消费者批评,因此,在新款的the new ipad发布时,原有的6500mAh容量锂电池就改为使用14000mAh大容量锂电池。这件事情可以看作便携式终端用充电电池的研发以高容量为方向的证明,为此,甚至不惜牺牲寿命也要实现高容量,而对寿命的要求一般就是2年左右即可。

 

  但是,在电动汽车时代到来后,锂离子电池研发的方向就就不再只是一味高容量的发展方向,现在的电动汽车主要包括混合动力车、插电式混合动力车和纯电动汽车三种类型。对于混合动力车而言,在加速和减速时需要大电力交换,因此,高功率型的电池较为理想。反之,纯电动汽车因为只靠动力锂电池提供电能,因此更需要大容量的支持,插电式混合动力车则介于二者之间。

  由此可以得知:在高功率锂电池要求上,混合动力车>插电式混合动力车>纯电动汽车;而在大容量锂电池要求上恰好相反,纯电动汽车>插电式混合动力车>混合动力车。当然,这是在不同电动汽车内部的比较,从整体上来说,电动汽车用锂电池在容量和功率上的要求比便携终端高出若干倍,同时也要求更高的寿命和安全性,如果不这样则无法进入产业化阶段。

 

  固定装置用途的大型储能设施对比电动汽车的性能要求也是提高了若干倍,单从安全性来说,对于大楼蓄电系统及家用蓄电系统而言,必须具备发生火灾时不会燃烧的“高”安全性能,而电动汽车和便携终端用锂电池显然不具备这种要求。固定装置用途的储能设施内部也可以划分出不同的主要诉求。对用于夜间储电白天放电的高峰期转换为代表的电网电力而言,要求电池具备大容量,如楼宇系统用储能设施锂电池。而对于光伏发电和风力发电来说,就必须使用对输出功率变化具有较高耐性的高功率电池,因为受自然因素影响极大,这两种发电装置输出功率变化较大。

 

  随着锂电池向大型机器应用的过渡和转变,使得锂电池自身要解决根本问题日渐多起来,因而出现了结合锂离子电池与传统双层电容器优点的锂离子电容器,也有开发新型氧化还原液流电池的新技术处于同步研发阶段,未来锂电池的道路还很远。