如何延長鋰離子電池壽命?鋰離子電池老化原因

一起來探討鋰離子電池老化的原因以及采用哪些措施來延長鋰離子電池壽命。

鋰離子電池尚未完全成熟，并且還在改善中。隨著容量的逐漸增加，壽命和安全性有了顯著的進(jìn)步。如今，鋰離子電池已滿足大多數(shù)消費(fèi)類設(shè)備的期望，但新能源汽車的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步開發(fā)，然后這種電源才能成為公認(rèn)的規(guī)范。

作為電池護(hù)理人員，您需要知道如何延長電池壽命。每個(gè)電池系統(tǒng)在充電速度，放電深度，負(fù)載和承受不利溫度方面都有獨(dú)特的需求。檢查是什么原因?qū)е氯萘繐p失，內(nèi)部電阻上升如何影響性能，高自放電率有什么作用，電池可以放電到多低？您可能還對(duì)電池測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)感興趣。

鋰離子電池老化的原因

鋰離子電池負(fù)責(zé)正負(fù)極之間的離子運(yùn)動(dòng)。理論上，這種機(jī)制應(yīng)該永遠(yuǎn)有效，但是隨著時(shí)間的流逝，循環(huán)，高溫和老化會(huì)降低性能。制造商采取保守的方法，并指定大多數(shù)消費(fèi)產(chǎn)品中鋰離子電池的壽命為300至500次充/放電周期。

在計(jì)數(shù)周期上評(píng)估電池壽命不是決定性的，因?yàn)榉烹娚疃瓤赡軙?huì)變化，并且沒有明確定義周期的組成標(biāo)準(zhǔn)。代替周期計(jì)數(shù)，一些設(shè)備制造商建議在日期戳上更換電池，但是這種方法并未考慮使用方法。由于過度使用或不利的溫度條件，電池可能會(huì)在指定的時(shí)間內(nèi)失效。但是，大多數(shù)包裝的使用壽命比郵票所示的要長得多。

電池的性能以容量進(jìn)行衡量。內(nèi)部電阻和自放電也起著作用，但是在預(yù)測(cè)現(xiàn)代鋰離子電池的使用壽命結(jié)束時(shí)，這些作用并不重要。

圖1說明了在Cadex實(shí)驗(yàn)室循環(huán)使用的11個(gè)鋰聚合物電池的容量下降。首先以1500mA（1C）的電流將電池充電至1500mAh，然后將其充電至4.20V/cell，然后作為完全充電飽和的一部分使其飽和至0.05C（75mA）。然后將電池以1500mA放電至3.0V/cell，并重復(fù)該循環(huán)。鋰離子電池的預(yù)期容量損失在交付的250個(gè)循環(huán)中是均勻的，并且電池按預(yù)期運(yùn)行。

圖1：容量下降作為循環(huán)的一部分。在Cadex C7400電池分析儀上測(cè)試了11個(gè)新的鋰離子電池。所有包裝開始時(shí)的容量為88–94％，經(jīng)過250個(gè)完整的放電循環(huán)后下降至73–84％。1500mAh的小袋包裝用于手機(jī)。

由Cadex提供

盡管電池在使用的第一年內(nèi)應(yīng)提供100％的容量，但通常會(huì)發(fā)現(xiàn)電池容量低于規(guī)定的容量，并且保質(zhì)期可能會(huì)造成這種損失。此外，制造商往往會(huì)夸大其電池，因?yàn)樗麄冎篮苌儆杏脩魰?huì)進(jìn)行抽查并抱怨電池電量不足。不必像多單元電池組中那樣匹配移動(dòng)電話和平板電腦中的單電池，這為許多廣泛的性能接受打開了閘門。容量較低的電池可能會(huì)在用戶不知情的情況下穿過裂縫。 

與機(jī)械設(shè)備在長時(shí)間使用后會(huì)很快磨損一樣，放電深度（DoD）決定電池的循環(huán)次數(shù)。放電次數(shù)越少（DoD越?。?，電池壽命越長。盡可能避免完全放電，并在兩次使用之間更頻繁地給電池充電。鋰離子部分放電是可以的。沒有內(nèi)存，電池不需要定期的完全放電循環(huán)以延長使用壽命。例外情況可能是對(duì)智能電池或智能設(shè)備上的電量計(jì)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。

下表列出了鈷基鋰離子與應(yīng)力相關(guān)的容量損失。磷酸鐵鋰和鈦酸鋰的電壓較低，不適用于給定的參考電壓。

注意：表2、3和4指出了普通鈷基鋰離子電池在放電深度，溫度和充電水平上的總體老化趨勢(shì)，表6進(jìn)一步考察了在給定和放電帶寬內(nèi)工作時(shí)的容量損失。下表未解決超快速充電和高負(fù)載放電會(huì)縮短電池壽命的問題。沒有所有電池的行為相同。

表2估計(jì)了在電池容量降至70％之前，鋰離子在各種DoD級(jí)別下可以提供的放電/充電循環(huán)次數(shù)。DoD構(gòu)成完全充電，然后放電到表中指示的荷電狀態(tài)（SoC）級(jí)別。

表2：循環(huán)壽命與放電深度的關(guān)系。部分放電可減輕應(yīng)力并延長電池壽命，部分充電也可以。高溫和大電流也會(huì)影響循環(huán)壽命。

注意： 100％DoD是一個(gè)完整的周期；10％非常簡短。以中間充電狀態(tài)騎車將擁有最佳的壽命。

鋰離子在暴露于熱時(shí)會(huì)承受壓力，因此將電池保持在高充電電壓下也是如此。駐留在30°C（86°F）以上的電池被認(rèn)為是高溫，并且對(duì)于大多數(shù)鋰離子電池而言，高于4.10V/電池的電壓被視為高壓。將電池置于高溫下并長時(shí)間處于充滿電狀態(tài)會(huì)比循環(huán)更具壓力。表3展示了容量損耗隨溫度和SoC的變化。

表3：在各種溫度下儲(chǔ)存鋰離子一年時(shí)的估計(jì)可恢復(fù)容量。溫度升高會(huì)導(dǎo)致永久容量損失。并非所有的鋰離子系統(tǒng)都表現(xiàn)相同。

大多數(shù)鋰離子電池充電至4.20V /電池，峰值充電電壓每降低0.10V /電池，則循環(huán)壽命將延長一倍。例如，充電至4.20V /節(jié)的鋰離子電池通?？商峁?00–500個(gè)循環(huán)。如果僅以4.10V / cell充電，則壽命可以延長到600–1000個(gè)周期。4.0V /單元應(yīng)提供1200–2000個(gè)周期，而3.90V /單元應(yīng)提供2400–4000個(gè)周期。

在負(fù)極，較低的峰值充電電壓會(huì)降低電池的存儲(chǔ)容量。作為簡單的指導(dǎo)原則，充電電壓每降低70mV，總?cè)萘烤蜁?huì)降低10％。在隨后的充電中施加峰值充電電壓將恢復(fù)全部容量。

就壽命而言，最佳充電電壓為3.92V/電池。電池專家認(rèn)為，該閾值消除了所有與電壓有關(guān)的應(yīng)力；降低價(jià)格可能不會(huì)進(jìn)一步獲得好處，但會(huì)引發(fā)其他癥狀。表4總結(jié)了容量與電荷水平的關(guān)系。

表4：放電周期和容量與充電電壓極限的關(guān)系。每下降0.10V低于4.20V/單元，循環(huán)次數(shù)將增加一倍，但容量將降低。將電壓提高到4.20V / cell以上會(huì)縮短壽命。讀數(shù)反映出常規(guī)鋰離子電池充電至4.20V /電池。

準(zhǔn)則：充電電壓每下降70mV，可用容量就會(huì)降低約10％。

注意：就高比能量而言，部分充電會(huì)抵消鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)。

充滿電后，具有不同電壓水平的電池也適用類似的壽命周期。

以充滿電后的100％容量的新電池為基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)：瑞典查爾默斯科技大學(xué)報(bào)告說，使用降低的50％SOC充電量可使汽車鋰離子電池的預(yù)期壽命提高44–130％。

大多數(shù)用于手機(jī)，筆記本電腦，平板電腦和數(shù)碼相機(jī)的充電器可將鋰離子電池充電至4.20V/電池。這允許最大的容量，因?yàn)槭褂谜呦Ｍ木褪亲罴堰\(yùn)行時(shí)間。另一方面，工業(yè)界更關(guān)注壽命，并可能選擇較低的電壓閾值。衛(wèi)星和電動(dòng)汽車就是這樣的例子。

出于安全原因，許多鋰離子電池不能超過4.20V。雖然較高的電壓會(huì)提高容量，但超過此電壓會(huì)縮短使用壽命并損害安全性。圖5展示了周期計(jì)數(shù)與充電電壓的關(guān)系。在4.35V電壓下，普通鋰離子的循環(huán)次數(shù)減少了一半。

圖5：充電電壓升高對(duì)循環(huán)壽命的影響。 較高的充電電壓可提高容量，但會(huì)降低循環(huán)壽命并損害安全性。

資料來源：Choi等。

除了為給定的應(yīng)用選擇最適合的電壓閾值外，常規(guī)鋰離子也不應(yīng)長時(shí)間保持在4.20V/電池的高壓上限。鋰離子充電器會(huì)關(guān)閉充電電流，并且電池電壓會(huì)恢復(fù)到更自然的水平。這就像劇烈運(yùn)動(dòng)后放松肌肉。

圖6說明了動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試（DST），反映了在各種充電和放電帶寬下循環(huán)鋰離子電池時(shí)的容量損失。當(dāng)將充滿電的鋰離子放電到25％的SoC（黑色）時(shí)，容量損失最大。如果完全放電，損失會(huì)更高。在85％到25％（綠色）之間循環(huán)可提供比充電到100％和放電到50％（深藍(lán)色）更長的使用壽命。通過將鋰離子充電至75％，然后放電至65％，可以實(shí)現(xiàn)最小的容量損失。但是，這不能充分利用電池。據(jù)說高壓和暴露于高溫下比正常條件下循環(huán)更快地降解電池。

圖6：容量損失隨充放電帶寬的變化。鋰離子充放電只能部分延長電池壽命，但會(huì)降低利用率。

情況1：75–65％的SoC可以提供最長的循環(huán)壽命，但僅提供90000能量單位（EU）。消耗10％的電池電量。

情況2：75％到25％的SoC具有3000個(gè)周期（達(dá)到90％的容量），并提供150000 EU。消耗50％的電池電量。（EV電池，新的。）

情況3：85–25％的SoC具有2000個(gè)循環(huán)。提供120000歐盟。消耗60％的電池電量。

情況4：100–25％SoC；電池使用率達(dá)到75％的情況下，使用壽命長。壽命短。（手機(jī)，無人機(jī)等）

表2和圖6之間的周期計(jì)數(shù)存在差異。除了假設(shè)電池質(zhì)量和測(cè)試方法存在差異外，沒有明確的解釋可用。低成本消費(fèi)級(jí)和耐用工業(yè)級(jí)之間的差異也可能起作用。與20ºC相比，高溫下的容量保持率下降速度更快。

只有一個(gè)完整的周期才能提供電池的指定能量。使用現(xiàn)代的能量電池，功率約為250Wh/kg，但是循環(huán)壽命會(huì)受到影響。所有這些都是線性的，延長壽命的中間范圍（85-25％）將能量降低到60％，這相當(dāng)于將比能量密度從250Wh/kg降低到150Wh/kg。手機(jī)是利用電池全部能量的消費(fèi)品。諸如EV之類的工業(yè)設(shè)備通常將充電限制為85％，將放電限制為25％或60％的能源可用性，以延長電池壽命。

增加循環(huán)深度也會(huì)增加鋰離子電池的內(nèi)部電阻。圖7顯示了使用直流電阻法測(cè)得的在61％的循環(huán)深度處的急劇上升。電阻的增加是永久的。

圖7：通過增加鋰離子的循環(huán)深度，內(nèi)部電阻急劇上升。

注意：DC方法提供的內(nèi)部電阻讀數(shù)與AC方法（綠色框）不同。為了獲得最佳結(jié)果，請(qǐng)使用DC方法計(jì)算負(fù)載。

資料來源：慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）

圖8通過使用外推程序推斷圖6的數(shù)據(jù)以擴(kuò)展鋰離子的預(yù)測(cè)循環(huán)壽命，該程序假定電池容量隨著漸進(jìn)式循環(huán)而線性衰減。如果這是真的，那么在14000次循環(huán)后，在75％–25％SoC（藍(lán)色）內(nèi)循環(huán)的鋰離子電池將衰減至74％的容量。如果在相同的放電深度下將電池充電至85％（綠色），則在14000次循環(huán)時(shí)容量將下降至64％，而在具有相同DoD的情況下充電100％（黑色），容量將下降至48％。由于未知原因，現(xiàn)實(shí)生活中的期望值往往低于模擬模型。

圖8：通過外推法預(yù)測(cè)電池壽命。

鋰離子電池可充電至三種不同的SoC級(jí)別，并模擬了循環(huán)壽命。限制充電范圍可延長電池壽命，但會(huì)降低傳遞的能量。這反映出重量增加和較高的初始成本。

經(jīng)許可使用。由OriginLab進(jìn)行內(nèi)插/外推。

電池制造商通常會(huì)指定80 DoD的電池的循環(huán)壽命。這是實(shí)用的，因?yàn)樵谡Ｊ褂孟?，電池在充電之前?yīng)保留一些儲(chǔ)備。DST（動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試）的周期計(jì)數(shù)因電池類型，充電時(shí)間，加載規(guī)程和工作溫度而異。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試通常會(huì)獲得在現(xiàn)場無法獲得的數(shù)字。 

鋰離子電池的壽命取決于環(huán)境條件，而不是單獨(dú)循環(huán)。最壞的情況是將充滿電的電池保持在高溫下。電池組不會(huì)突然消失，但是隨著容量的減少，運(yùn)行時(shí)間會(huì)逐漸縮短。

較低的充電電壓可延長鋰離子電池壽命，電動(dòng)汽車和衛(wèi)星都可以利用這一點(diǎn)。也可以為消費(fèi)類設(shè)備制定類似的規(guī)定，但是很少提供這些規(guī)定。有計(jì)劃的過時(shí)將解決此問題。

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