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提升充放倍率對鋰電池性能影響有哪些?

發(fā)布時(shí)間:2017-08-11 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】我們都知道,鋰電池隨著充放電次數(shù)的增加,容量會越來越少,直接表現(xiàn)就是鋰電池的性能越來越差。那么都有哪些因素影響到鋰電池的性能呢?
圖1.鋰電池提升倍率對電池性能的影響
 
影響鋰電池容量的影響因素很多,使用溫度、充放電電流、充放電截止電壓等因素都會影響鋰離子電池的衰降速度。造成鋰電池容量衰降的機(jī)理可以分為三類:內(nèi)阻和極化增加、正負(fù)極活性物質(zhì)損失、Li損失。
 
不同的外部因素對這三者的影響也各不相同。例如LiFePO4材料的鋰電池具有非常好的循環(huán)性能,但是不同的使用條件對鋰電池循環(huán)壽命有著重要的影響。試驗(yàn)證明對26650鋰電池進(jìn)行15C脈沖放電和15C連續(xù)放電,兩種放電制度對于26650鋰電池具有完全不同的影響。15C脈沖放電的26650鋰電池容量衰降非常快,充放電40次后就無法再進(jìn)行15C放電,但是仍然能夠進(jìn)行1C放電。而15C連續(xù)放電電池容量衰降較慢,60次以后仍然能夠進(jìn)行15C放電,但是1C倍率的衰降速率要快于15C脈沖放電。
 
機(jī)理分析得出結(jié)論:15C脈沖放電的電池在負(fù)極的SEI膜中出現(xiàn)更多的LiF,而LiF對鋰離子擴(kuò)散的阻礙更大,使得電池的Li+擴(kuò)散阻抗和電荷交換阻抗迅速增加,從而使得電池在充放電過程中極化電壓過大,從而導(dǎo)致LiFePO4大電流放電能力迅速下降。
 
鋰電池的充電策略對于鋰電池壽命衰降影響的研究,能夠更好的指導(dǎo)我們對鋰離子電池的設(shè)計(jì)。以下就不同充電控制策略對鋰離子電池壽命衰降的影響,研究了其作用機(jī)理,提出鋰離子電池的壽命衰降模型。研究試驗(yàn)表明,當(dāng)充電電流和截止電壓超過一定的數(shù)值時(shí),鋰離子電池的衰降將被極大的加速,為了降低鋰離子電池的衰降速率,需要針對不同的體系,需要選擇合適的充放電電流和截止電壓。
 
圖2.倍率放電對電池性能的影響
 
從數(shù)據(jù)可以看到,隨著充電的倍率的加大,鋰離子電池的衰降速率也在快速增加,并且從曲線的斜率來看,電池的衰降速度存在三個(gè)不同的階段,前期衰降速度較快的階段(階段1),中間衰降速度較慢的穩(wěn)定階段(階段2),和后期的衰降速率加速階段(階段3)。針對三個(gè)階段電池的衰降機(jī)理的研究認(rèn)為,階段1可能是因?yàn)殡姵豐EI膜生長需要消耗一部分Li+,因此衰降速度較快。在階段2隨著SEI膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,內(nèi)部較為穩(wěn)定,因此衰降速度較慢,在階段3隨著電池老化,開始發(fā)生活性物質(zhì)損失,電極活性界面減少,導(dǎo)致電池對于電流十分敏感。圖C是針對不同的截止電壓對電池衰降速度影響的實(shí)驗(yàn),從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,當(dāng)把充電截止電壓提高到4.3V時(shí)會導(dǎo)致電池的循環(huán)性能急劇惡化,降低充電截止電壓可以有效的改善電池的循環(huán)性能。
 
圖3.鋰電池提性倍率對內(nèi)阻的影響
 
對電池的動態(tài)內(nèi)阻分析如下圖所示,從圖a測試結(jié)果來看,當(dāng)充電電流小于1C時(shí),電池動態(tài)內(nèi)阻隨著電池循環(huán)的變化趨勢幾乎時(shí)一樣的,但是當(dāng)充電電流超過1C時(shí),電池動態(tài)內(nèi)阻增加速度會隨著充電速率的增加而快速增加。從圖b的測試結(jié)果來看,當(dāng)充電截止電壓為4.3V時(shí),電池動態(tài)內(nèi)阻增加非常迅速表明高截止電壓會惡化電池的動力學(xué)條件,截止電壓為4.1V和4.2V時(shí)電池動態(tài)內(nèi)阻增加較為緩慢。
 
從上述分析我們可以注意到,無論是充電電流還是充電截止電壓都存在一個(gè)值,當(dāng)充電電流或者電壓超過這個(gè)值時(shí)就會導(dǎo)致電池衰降加速,對于上述電池這個(gè)值是1C和4.2V,當(dāng)充電電流和截止電壓超過這個(gè)值后就會加速電池的衰降,當(dāng)小于這個(gè)值時(shí),提高充電電流和截止電壓并不會顯著的增加電池的衰降速度。對于充電電流和截止電壓對電池衰降速度影響的機(jī)理研究顯示,當(dāng)充電電流低于1C時(shí)主要影響的是正負(fù)極活性物質(zhì)損失,而截止電壓低于4.2V時(shí)影響的主要是Li損失,當(dāng)充電電流和截止電壓高于這個(gè)值時(shí),則會顯著的加速正負(fù)極活性物質(zhì)損失和Li損失。
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