钜大LARGE | 点击量:654次 | 2019年06月10日
充电制度对锂电池的寿命会不会有影响呢?
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。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。
对比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,因此需要根据电池的设计寿命合理选择充电截止电压。
这仅仅是循环了53次后的数据,随着循环次数的增加,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需要我们考虑的,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产生一定的影响。
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%
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。三元锂电池寿命是在使用到一定程度后,容量衰减程度比例所计算的,直接到容量寿命为零终止。业内算法一般是三元锂电池充满电之后放电一次,这叫循环寿命。在使用过程中,锂电池内部发生不可逆化学反应会造成电池容量的下降,比如使用不当的情况,或者极高温或者极低温情况下使用。比如电解液的分解,活性材料的失活,正负极结构的坍塌导致锂离子嵌入和脱嵌的数量减少等等。实验标明,更高倍率的放电会导致容量更快的衰减,如果放电电流较低,电池电压会接近平衡电压,能释放出更多的能量。
三元锂电池理论寿命为1200次完全充放电,也就是完全循环寿命,按使用频率来说,三天一次完全充放电,一年120次完全充放电,三元锂电池使用寿命达到十年,即使使用过程中有损耗或者充放电天数减少,也可以达到八年,注意,这里说的是容量寿命,在八年之后三元锂电池的容量还会有百分之六十以上,这是标准性所在。
三元锂电池的理论寿命,在商业化的可充电锂电池中属于中等。磷酸铁锂约为2000次,而钛酸锂据说可以达到1万次循环。目前主流的电池厂家在其生产的三元电芯规格书中承诺大于500次(标准条件下充放电),但是电芯在配组做成电池包后,由于一致性问题,主要是电压和内阻不可能完全一样,其循环寿命大约为400次。厂家推荐SOC使用窗口为10%~90%,不建议进行深度充放电,不然会对电池的正负极结构造成不可逆的损伤,若是以浅充浅放来计算的话,循环寿命至少有1000次。另外,锂电池若是经常在高倍率和高温环境下放电,电池寿命会大幅下降到不足200次。
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