隨著新能源補(bǔ)貼政策的退坡，以及去年的多起電動(dòng)汽車著火燃燒安全事故，使原本火熱的三元鋰離子電池逐漸降溫，而具有良好安全性、長(zhǎng)壽命和優(yōu)異安全性的磷酸鐵鋰電池又逐漸得到人們的重視。電動(dòng)汽車的使用壽命通常可達(dá)6-10年，因此對(duì)于動(dòng)力電池的使用壽命提出了比較高的要求，因此動(dòng)力電池循環(huán)壽命的預(yù)測(cè)和分析就顯得尤為重要。

 

       近日，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Maik Naumann（第一作者，通訊作者）等人對(duì)來(lái)自索尼公司的商業(yè)磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命衰降進(jìn)行了分析，并建立了模型，該模型對(duì)容量損失的預(yù)測(cè)誤差小于1%，對(duì)于內(nèi)阻的預(yù)測(cè)誤差小于2%。

 

       實(shí)驗(yàn)中作者采用索尼公司的US26650FTC1 26650型鋰離子電池作為研究對(duì)象，該電池正極材料為L(zhǎng)FP，負(fù)極為石墨，電池額定容量為2.85Ah，實(shí)際容量為3.0Ah（實(shí)驗(yàn)中為了充分發(fā)揮電池的容量，作者采用了恒流恒壓放電模式，也就是以1C恒流放電到2.0V，然后以恒壓放電的形式直到電流下降到150mA），電池基本信息如下表所示。

       實(shí)驗(yàn)中作者共計(jì)安排了19個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)（如下表所示），分別測(cè)試了不同溫度、不同放電深度、不同SoC范圍，以及不同充放電電流對(duì)電池循環(huán)壽命的影響。

       1.充放電倍率的影響

 

       下圖展示了不同充放電倍率下LFP電池在循環(huán)（放電深度80%，10%-90%SoC，環(huán)境溫度40℃）過(guò)程中容量和內(nèi)阻的變化情況，從下圖可以看到隨著循環(huán)時(shí)間和等效循環(huán)次數(shù)的增加，所有充放電電流的LFP電池都出現(xiàn)了容量降低，內(nèi)阻增加的現(xiàn)象，其中電池容量的衰降速度逐漸降低，與時(shí)間的平方根呈現(xiàn)線性關(guān)系，這與之前的一些研究相一致，主要是受到負(fù)極表面SEI膜生長(zhǎng)規(guī)律的影響，而電池的內(nèi)阻的增加速度則保持恒定。

 

       從下圖a和b可以看到充放電電流更大的電池在循環(huán)過(guò)程中容量衰降和內(nèi)阻增加都要更為嚴(yán)重一些，通常我們認(rèn)為SEI膜是引起鋰離子電池循環(huán)和存儲(chǔ)過(guò)程中衰降的主要因素，因此鋰離子電池的衰降應(yīng)該與電池充放電的總?cè)萘砍尸F(xiàn)密切相關(guān)的關(guān)系，因此作者分析了容量衰降和內(nèi)阻增加與等效循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系（如下圖c和d所示），從下圖c和d能夠看到在等效循環(huán)次數(shù)圖中更高的充放電倍率引起的鋰離子電池容量衰降和內(nèi)阻增加也更少，這主要是因?yàn)楦弑堵恃�環(huán)同樣的次數(shù)所需要的時(shí)間更少，這就使得電池的日歷壽命衰降更少，因此如果我們將日歷壽命衰降扣除后，能夠發(fā)現(xiàn)高倍率下電池的容量衰降和內(nèi)阻增加還是要比小倍率下更快的。

        2.放電深度的影響

 

       下圖為磷酸鐵鋰電池在不同的放電深度下的容量和內(nèi)阻變化情況，所有電池的SoC平均值為50%，1C進(jìn)行充放電，環(huán)境溫度為40℃。從下圖a可以看到磷酸鐵鋰電池的衰降趨勢(shì)與放電深度游著密切的關(guān)系，只有100%DOD和80%DOD的電池與循環(huán)時(shí)間/等效循環(huán)次數(shù)的平方根呈現(xiàn)線性關(guān)系。而較低DOD循環(huán)的電池在前期呈現(xiàn)線性衰降的趨勢(shì)（如下圖a所示），衰降速度最快的為10%和20%DOD循環(huán)的電池，而5%和40%DOD的電池衰降速度更慢。在達(dá)到1000個(gè)等效循環(huán)后，所有放電深度小于80%DOD的電池都停止了衰降，其中10%和20%DOD這兩個(gè)在初期衰降比較快的電池，在1000個(gè)等效循環(huán)后電池的容量開始緩慢的回升，在完成全部10600個(gè)等效循環(huán)后，放電深度更淺的電池的容量保持率則會(huì)相對(duì)較高。

       3.溫度的影響

 

       溫度對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)的速度具有決定性的影響，因此溫度也會(huì)對(duì)鋰離子電池的衰降速度產(chǎn)生顯著的影響，因此作者分別測(cè)試了磷酸鐵鋰電池在25℃和40℃，以及100%DOD和80%DOD下的循環(huán)性能。從下圖a能夠看到，80%DOD放電的電池在前8000次循環(huán)中，25℃和40℃幾乎沒(méi)有區(qū)別，對(duì)于100%DOD的電池，在前4000次等效循環(huán)中25℃和40℃幾乎一致，在4000次等效循環(huán)后開始出現(xiàn)區(qū)別，但是整體上來(lái)看25℃和40℃這兩個(gè)在日常使用中常見的溫度對(duì)于磷酸鐵鋰電池的衰降影響并不大。

       模型建立

 

       根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作者建立了壽命衰降模型，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明溫度對(duì)于電池的循環(huán)性能的影響比較小，因此作者在模型中沒(méi)有考慮溫度的影響。

 

       1. 模型結(jié)構(gòu)

 

       鋰離子電池循環(huán)過(guò)程中的容量衰降來(lái)自于循環(huán)衰降和日歷衰降兩大部分，因此在模型中作者也將模型分為了循環(huán)衰降模型和日歷存儲(chǔ)衰降模型，在循環(huán)衰降模型又包含倍率、放電深度和充放電總?cè)萘康纫蛩�，模型的基本信息如下表所示�?/div> (責(zé)任編輯：子蕊)