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。