钜大LARGE | 点击量：638次 | 2021年04月06日
充电制度怎么样影响三元锂离子电池的寿命？
随着锂离子电池能量密度的不断提升，传统的钴酸锂材料正逐渐被容量更高的三元材料所取代，虽然三元材料具有与LCO相似的层状结构，但是相比于LCO材料，三元材料不仅仅在材料的容量上获得了很大的提升，热稳定性也要明显好于LCO材料。
一般而言我们常说的三元材料重要指的是NMC材料，也包含NCA材料，层状材料的容量发挥受到其结构稳定性的影响，由于Ni3+的化学稳定性要比Co元素更好，因此在充电的过程中NMC材料也就能脱出更多的Li，使得材料的容量由较大的提升。
反过来，层状氧化物正极材料结构稳定性还受到脱Li数量的影响，过量的脱Li可能会导致材料的层状结构坍塌，因此为了保证NMC材料的结构稳定性要对材料的充电截止电压进行限制，保证材料的长期的循环稳定性。
德国明斯特大学的JohannesKasnatscheew等人对NCM111和NCM532（两款材料来自BMW集团）、NCM622和NCA（两款材料来自Customcell）、NCM811（来自杉杉科技）材料的充电制度对其循环寿命和结构稳定性的影响进行了研究。
充电截止电压的影响
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
NMC材料的脱锂数量与充电截止电压成正比，也就是说充电截止电压越高NMC材料的脱锂量也就越大，相应地材料的结构也就越不稳定。下图为NCM811材料在不同的充电截止电压下，循环性能曲线，可以看到提高截止电压后，材料容量发挥明显提高了，但是随之而来的是材料衰降速度的加速。
比较不同截止电压下的循环数据后发现，4.6V截止电压时虽然在第五次放电时比容量最高，但是在循环53次后，其容量快速下降，低于4.5V和4.4V截止电压下NMC111的容量。这表明一味的的提高充电截止电压，虽然会使的材料的容量获得较大的提升，但却会使的材料的循环稳定性发生明显的下降，因此要根据电池的设计寿命合理选择充电截止电压。
下图为NMC111、NMC532、NMC622、NMC811和NCA材料，在不同的截止电压下循环53次后，放电能量和放电能量保持率曲线，从图中可以看到，在循环53次后，放电能量密度最高的并不是截止电压最高的电池，关于NMC811材料，在4.3V截止电压获取了最高的放电能量密度，NMC622和NMC532、NCA材料在4.4V充电截止电压获得了最高放电能量密度，NMC111材料在4.5V获得了最高能量密度。
这仅仅是循环了53次后的数据，随着循环次数的新增，较高截止电压下的材料由于衰降速度比较快，按照上图的循环曲线的趋势，截止电压最低时，放电能量密度将会是最高的。此外从下图可以看到，无论是哪种材料随着充电截止电压的升高都会导致容量衰降的加速，特别是Ni含量较低的NMC111、NMC532和NMC622材料受到截止电压的影响更大，这表明Ni含量较低的几款材料的结构稳定性更差一些。
环境温度的影响
在锂离子电池实际应用中，材料的高温稳定性也是要我们考虑的，JohannesKasnatscheew对NMC622、NMC811和NCA材料在常温和60℃下的循环性能做了研究，结果如下图所示。一般而言，提高温度可以改善电池内的动力学条件，从而提高电池的性能，这一点从电池在60℃下的容量发挥可以明显的看出来，但是高温会对材料的循环稳定性出现一定的影响。
例如在20℃常温下，三种材料在前50次循环，具有比较接近的循环性能，但是将温度提高到60℃后，NMC811和NCA材料循环50次后的容量保持率明显低于NMC622材料，这表明NMC622材料具有更高的热稳定性。
化成电流对循环性能的影响
充电制度的智能控制
JohannesKasnatscheew对影响三元材料循环性能的因素进行了分析，例如充电截止电压和化成的电压和电流，以及环境温度对NMC和NCA材料循环性能的影响，从本质上来说随着NMC材料脱锂数量的新增，会导致材料的结构稳定性下降，影响循环性能。此外，高温也会对材料的稳定性出现负面的影响，从而导致材料循环性能下降。JohannesKasnatscheew还根据NMC材料的特性，设计了一种全新的充电制度，既截止容量限制，对充电电压进行调整保证电池每次充电的容量都是相同的，从而克服由于电池过电势导致的充电容量和放电容量的衰降，很好的改善了电池的循环性能。考虑电池能量密度，三元锂离子电池相关于磷酸铁锂离子电池要有明显的优势，三元锂离子电池的平均水平可以做到140Wh/kg，而磷酸铁锂的平均水平则为120Wh/kg，下面，我们就重点针对三元锂离子电池的使用寿命，以比亚迪元EV360为例，给大家做一个简单分析：
比亚迪元EV360：电池容量42度，工信部公布的NEDC综合工况续驶里程为305公里，假设一周行驶里程为610公里，则简单换算，要深度充放2次，即充84度电。
一年以52周计算，则一年要充104次，假如假设比亚迪元循坏使用寿命为1000次（具体次数可以咨询比亚迪厂家），则按照我们设定的使用条件，基本上，用车寿命为10年。
