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技術(shù)丨鋰電池SOH有哪些影響因素?

發(fā)布:xxcjdy 瀏覽:6773次

鋰電池的老化是一個(gè)長(cháng)期漸變的過(guò)程,電池的健康狀態(tài)受溫度、電流倍率、截止電壓等多種因素影響。目前電池健康狀態(tài)的研究和建模分析等已有一定成果,相關(guān)的研究包括電池退化機理與老化因素分析、電池的健康管理、電池狀態(tài)監測與估計、電池壽命預測等。


然而鋰電池健康狀態(tài)評估方面仍缺少比較完善的歸納和綜述。本文從電池健康狀態(tài)的定義、影響因素、評估模型、研究難點(diǎn)和研究意義五個(gè)方面比較系統地介紹了電池健康狀態(tài)的研究現狀和進(jìn)展。


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01
電池健康狀態(tài)定義


電池SOH表征當前電池相對于新電池存儲電能的能力,以百分比的形式表示電池從壽命開(kāi)始到壽命結束期間所處的狀態(tài),用來(lái)定量描述當前電池的性能狀態(tài)。電池的性能指標較多,國內外對SOH有多種定義,概念上缺乏統一,目前SOH的定義主要體現在容量、電量、內阻、循環(huán)次數和峰值功率等幾個(gè)方面。


1、容量定義SOH


采用電池容量衰減定義SOH的文獻最多,給出的 SOH定義如下:

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式中:Caged為電池當前容量;Crated為電池額定容量。


2、電量定義SOH


用電量定義SOH與容量定義相似,因為電池的額定容量有實(shí)際有效容量和最大容量,電池的實(shí)際容量與標稱(chēng)額定容量有些差異,所以有文獻從電池放電電量的角度定義SOH。

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式中:Qaged-max為當前電池最大放電電量;Qnew-max為新電池最大放電電量。


3、內阻定義SOH


電池的內阻增大是電池老化的重要表現,也是電池進(jìn)一步老化的原因,不少文獻采用內阻定義SOH。

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式中:REOL為電池壽命結束時(shí)的內阻;Rc為當前電池的內阻;Rnew為新電池的內阻。


4、剩余循環(huán)次數定義SOH


除了采用容量和內阻等電池性能指標定義SOH外,也有文獻用電池剩余的循環(huán)次數定義電池的SOH。

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式中:Cntremain為電池剩余循環(huán)次數;Cnttota為電池的總循環(huán)次數。


以上4種電池的SOH定義在文獻中較為常見(jiàn)。容量和電量定義可操作性強,但容量為電池的外在表現,而內阻和剩余次數定義的可操作性不強,內阻與SOC、溫度有關(guān),不易測量, 剩余循環(huán)次數和總循環(huán)次數無(wú)法準確預測。


02
鋰電池健康狀態(tài)影響因素


近年來(lái),國內外有很多文獻研究鋰電池老化機理和規律, 普遍認為鋰離子沉積、SEI膜增厚和活性物質(zhì)損失等是造成電池老化和容量衰減的主要原因。鋰電池的濫用會(huì )加速電池老化,電池的正常充放也會(huì )影響電池健康狀態(tài),加速電池老化。


1、溫度對電池SOH的影響 


溫度通常被認為是影響電池健康狀態(tài)的主要因素,溫度對電池的性能有雙重影響,一方面高溫會(huì )加快電池內部的化學(xué)反應速度,提升電池的效率和性能,同時(shí)高溫也會(huì )加速一些不可逆的化學(xué)反應發(fā)生,造成電池的活性物質(zhì)減少,引起電池 的老化和容量衰減。有實(shí)驗數據表明高溫會(huì )加快電池電極的SEI膜增長(cháng),鋰離子穿透SEI膜難度增加,等效為電池內阻增大。


2、充放電電流倍率對電池SOH的影響 


充放電倍率會(huì )影響電池的壽命,以三種不同放電倍率對索尼18650 電池進(jìn)行300次循環(huán)實(shí)驗, 其電池容量分別衰減9.5%、13.2%和16.9%,電池內阻分別增加12.4%、18.3%和27.7%,同時(shí)高倍率放電會(huì )在電池內部產(chǎn)生更多的熱量,加速電池老化,電子顯微鏡下觀(guān)察到高倍率電池放電的電極表面SEI膜比低倍率放電的要厚。


3、放電深度對電池SOH的影響


電池充放電深度對電池健康和老化有影響,有觀(guān)點(diǎn)認為電池有累計的總轉移能量,基于總轉移能量進(jìn)行電池的容量衰減和老化分析。高飛等通過(guò)對鋰電池不同放電深度的循環(huán)測試,分析電池的累積轉移能量與電池容量衰減之間的關(guān)系,得出電池容量衰減到85%之前,電池累計轉移的能量在深充深放與淺充淺放這兩種模式下基本相同,當電池容量衰減到85%~75%時(shí),電池累計轉移的能量和能量效率上深充深放模式都優(yōu)于淺充淺放的模式。


4、循環(huán)區間對電池SOH的影響 


電池充放電循環(huán)區間也會(huì )影響電池老化過(guò)程,循環(huán)區間不同對應的充放電電池內阻不一樣,因此循環(huán)過(guò)程中電池發(fā)熱和反應略有不同,長(cháng)期將影響電池的健康和老化。因此有專(zhuān)家建議電池SOC范圍在20%~80%,這樣有利于電池健康和循環(huán)壽命。


5、充放電截止電壓對電池SOH的影響 


電池的過(guò)充和過(guò)放都會(huì )對電池健康產(chǎn)生影響,不恰當的電壓上限和電壓下限對電池都有影響。放電截止電壓越低,電池內阻越大,造成電池內部發(fā)熱,同時(shí)引起副反應增加,電池活性物質(zhì)減少和負極石墨片層出現塌陷,電池加速老化和容量衰減。過(guò)高的充電截止電壓引起電池內阻增大,電池內部發(fā) 熱增加,過(guò)度充電引起負極產(chǎn)生“析鋰”現象以及相應的副反應增加,影響電池的容量和老化。


綜上,電池運行的溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區間和充放電截止電壓等都會(huì )對電池的健康狀態(tài)和壽命產(chǎn)生影響。目前,電池健康狀態(tài)影響因素研究處于定性研究階段,這些影響因素對電池老化的定量分析以及各因素相互耦合關(guān)系是研究的難點(diǎn),也是未來(lái)電池健康和壽命研究熱點(diǎn)。


03
鋰電池健康狀態(tài)評估模型


鋰電池的健康狀態(tài)無(wú)法通過(guò)直接測量獲取,電池健康狀態(tài)可通過(guò)模型評估得到,電池的老化和健康受多種因素共同影響,目前鋰電池的健康狀態(tài)評估模型主要有電化學(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗模型三種。


1、電化學(xué)模型


電化學(xué)模型從電池的電化學(xué)反應機理出發(fā)分析電池運行 過(guò)程中的健康狀態(tài)變化,考慮電池的老化因素對電池內外部狀態(tài)變量(溫度、電流倍率、截止電壓等)的影響。鋰電池電化學(xué)模型研究包括基于SEI機理模型、電化學(xué)第一原理模型、單因子和多因子綜合電化學(xué)模型的復雜電化學(xué)模型等。


2、等效電路模型


等效電路模型從電池的電工學(xué)角度,結合大量狀態(tài)數據分析,將鋰電池等效為一個(gè)基本的電路模型,用電路模型進(jìn)行電池的健康狀態(tài)評估。鋰電池基本等效電路模型有Rint模型、RC模型和Thevenin模型 3種,PNGV模型和GNL模型是在Thevenin等效電路模型基礎上改進(jìn)的模型。


3、經(jīng)驗模型


經(jīng)驗模型通過(guò)大量實(shí)驗數據分析、擬合、試湊、經(jīng)驗公式和統計處理來(lái)獲取電池性能狀態(tài)的變化,總結出電池的健康狀態(tài)變化規律,主要有電池阻抗經(jīng)驗模型和電池容量估計經(jīng)驗模型。


04
鋰電池健康狀態(tài)研究的困難


鋰電池的健康狀態(tài)和壽命研究越來(lái)越受重視,然而電池的SOH研究還處于初級狀態(tài),主要有以下三個(gè)原因。


1、研究周期長(cháng),實(shí)驗條件控制嚴


鋰電池的循環(huán)壽命周期長(cháng),電池的老化實(shí)驗周期很長(cháng),在測試過(guò)程中,溫度、充放電電流和充放電截止電壓等需要嚴格控制,并且每隔一定時(shí)間需要對電池的老化情況進(jìn)行評估。


2、電池內部狀態(tài)監控和分析困難


鋰電池的SOH研究涉及電池內部狀態(tài)變量,如電化學(xué)模型中電池內部溫度、電解液濃度和內阻等狀態(tài),而電池的內部狀態(tài)準確監控非常困難,還需要對這些狀態(tài)變量進(jìn)行定量分析,這使得電池的SOH研究需要解決的問(wèn)題難度大。


3、各種影響因素耦合


電池運行的溫度、充放電倍率和放電深度等都是影響電池老化和壽命的因素,而且這些因素是共同作用的,電池SOH的研究要求各種影響因素進(jìn)行解耦。然而這些因素是相互關(guān)聯(lián)的,解耦條件難以控制,目前很難進(jìn)行解耦分析。


05
鋰電池健康狀態(tài)研究意義


電池SOH研究難度大,進(jìn)展緩慢,但是SOH研究對電池的使用、維護和評估有很高價(jià)值,可為規劃、政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據和參考,具有重要的意義


1、對電池管理的意義


電池管理系統估算電池荷電狀態(tài)和剩余電量與電池的容量有關(guān),若電池管理系統能掌握電池的老化規律和健康狀態(tài),將有助于其做好電池全壽命周期的電池管理。


2、對電池使用和維護的意義


SOH研究有利于掌握電池老化影響因素,為電池的使用和維護提供理論指導。對電池的使用和維護而言,了解影響電池老化的因素可減少高低溫以及過(guò)充過(guò)放等有損電池使用的情況;知悉電池當前的健康狀態(tài),可幫助判斷電池的內在隱患和壽命情況,為電池維護和更換提供參考。


3、對電池經(jīng)濟性評估的意義


SOH的準確評價(jià)對電池的經(jīng)濟性評估有重要意義,鋰電池的應用場(chǎng)景、使用方式和維護手段不同造成電池的壽命差異,使電池的使用成本、經(jīng)濟效益等經(jīng)濟性評估有差別。通過(guò)SOH研究建立電池的老化模型,為分析電池的經(jīng)濟性提供數據支撐,將為企業(yè)投資決策、政府政策制定和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃提供有效輔助。