如何解决高比能量动力锂电池的寿命衰减难题？

从微观看，锂电池在使用的过程中，内部会发生电解液分解、活性材料失活、正负极结构坍塌导致锂离子嵌入和脱嵌的数量减少等不可逆的电化学反应并导致容量下降。

 

尤其在高电压和高温条件下，高度脱锂的正极表面极易与电解液发生反应，比如，充电状态下的NCM811与电解液反应的活性，远大于NCM111与电解液反应的活性。因此，充放电电压越高、温度越高，锂电池容量下降越快。

 

从宏观看，如何准确测量电流、电压和温度，做好热管理、功率管理和能量管理？如何感知高比能量动力锂电池的寿命状态，延长其使用寿命？毫无疑问，电池管理系统扮演重要角色。

 

▋从不同维度探索解决之道

 

关于NCM811等高比能量动力锂电池寿命衰减过快的问题，目前业内的解决方案多从材料、电解液、隔膜和电池管理系统等方面入手。

 

材料方面，可通过对NCM811的颗粒表面进行改性处理，提高其各项性能。由于电解液添加剂不同，电池的极化程度和极化速度也不同，因此，采用能够降低电池内部寄生反应的电解液，可以提高高比能量动力锂电池的循环寿命和安全性。

 

鹏辉能源通过对陶瓷和聚合物多功能复合涂层的应用，提高了高比能量动力锂电池在高温、高压下的稳定性和安全性；此外，鹏辉能源还开发出硅碳负极专用的工艺体系和电解液，使电池的首效提高到86%及以上，解决了电池前50周的快速衰减问题，提高了电池的容量和实验寿命。

 

在电池管理系统层面，同济大学汽车学院副院长魏学哲教授提出了基于“电-热-寿命”耦合模型的电池组优化设计方法，可对电池单体进行阻抗测量、容量估计，采集多空间、时间维度数据。同时，该设计可保证电池组的一致性，实现多因素、多物理场耦合。据魏学哲教授介绍，这就是以寿命估计、预测和管理为核心的第三代电池管理系统（第一代电池管理系统以单体安全监控为核心，第二代电池管理系统以SOC估计为核心），该管理系统有着完备的串并联方案、均衡方案和热管理方案，可对高比能量动力锂电池的寿命衰减进行有效管理。为了分析几种不同负极的锂离子电池在循环中的衰降机理，作者将循环后的电池进行了解剖，采用正负极分别制作了扣式电池，从下图c能够看到循环后的正极不但容量出现了显著的降低，倍率性能也都出现了明显的下降，而反观负极再经过循环后可逆容量仅发生了轻微的降低（少于3%），但是倍率性能有所下降，循环后的SCMG-BH、A12和MAGE3材料在高倍率下容量相对较低。

 

为了分析引起正负极材料老化后倍率性能下降的原因，作者还采用交流阻抗的方法对扣式电池进行了分析，下图为与不同负极材料匹配的NCM811材料扣式电池的交流阻抗图，从图中我们能够注意到循环后的NCM811材料除了在高频区的一个半圆，还在中频区出现了一个新的半圆，这可能是循环后的NCM811材料出现了相对较慢的电荷交换过程，例如可能在NCM811颗粒表面产生了新的相，从而导致电荷交换阻抗增加。