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淺談鋰離子電池衰降機(jī)理,充電方式是罪魁禍?zhǔn)祝?/h2>

發(fā)布時(shí)間:2017-01-23 來(lái)源:新能源Leader 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】究竟是什么原因?qū)е铝虽囯x子電池壽命的降低呢?在回答這個(gè)問(wèn)題之前,我們首先要熟悉一個(gè)概念,何為鋰離子電池的壽命?
 
手機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成為大家的日常生活必需品,想必大家都有體驗(yàn),隨著手機(jī)使用時(shí)間的增加,手機(jī)的待機(jī)時(shí)間也會(huì)變得越來(lái)越短,本來(lái)一天一充就可以滿(mǎn)足使用需求,現(xiàn)在需要每天兩充才行,直到最后,一天兩充也解決不了問(wèn)題,這就是我們常說(shuō)的手機(jī)電池不行了,我們一般稱(chēng)之為鋰離子電池“壽命衰降”。
 
一般來(lái)說(shuō),我們將鋰離子電池在循環(huán)過(guò)程中容量下降到初始容量的80%時(shí)所經(jīng)過(guò)的循環(huán)次數(shù),定義為鋰離子電池的壽命。手機(jī)是需要經(jīng)常更換的電子產(chǎn)品,因此一般電池廠(chǎng)家會(huì)將手機(jī)鋰離子電池的壽命設(shè)計(jì)在500次左右,也就是說(shuō)如果我們每天為手機(jī)充一次電,大概經(jīng)過(guò)一年半左右的時(shí)間,我們的手機(jī)電池的容量就會(huì)下降到初始容量的80%左右,這也就是我們感受到手機(jī)的電量越來(lái)越不足的原因所在。當(dāng)然這并不是說(shuō)讓大家盡量不充電、少充電,而是需要科學(xué)的、合理的充電,在文章的最后,小編會(huì)為大家介紹一些如何為手機(jī)充電的小竅門(mén),希望對(duì)大家能夠有所幫助。
 
 
【干貨】淺談鋰離子電池衰降機(jī)理
 
下面我們就來(lái)了解以下,為什么鋰離子電池在使用的過(guò)程中,會(huì)發(fā)生衰降呢?首先我們必須清楚,在鋰離子電池的內(nèi)部,除了正常的鋰離子嵌入和脫嵌正負(fù)極的反應(yīng),還會(huì)存在很多副反應(yīng),例如SEI膜的生成和生長(zhǎng),電解液分解,粘結(jié)劑分解,正負(fù)極活性物質(zhì)破裂等等因素,都會(huì)造成鋰離子電池的容量下降。雖然造成鋰離子電池衰降的因素很多,但是歸結(jié)起來(lái)可以分為三個(gè)大類(lèi):1)鋰損失,由于鋰離子電池是一個(gè)封閉系統(tǒng),內(nèi)部的物質(zhì)是恒定的,SEI膜的生成、破壞,負(fù)極析鋰等都會(huì)消耗僅有的Li資源;2)正極活性物質(zhì)損失,在鋰離子電池使用的過(guò)程中往往會(huì)發(fā)生正極材料顆粒破碎,粘結(jié)劑分解和正極材料晶體結(jié)構(gòu)改變等因素,這些都會(huì)導(dǎo)致一部分正極活性物質(zhì)失去嵌鋰等能力;3)負(fù)極活性物質(zhì)損失,例如負(fù)極活性物質(zhì)脫落,粘結(jié)劑分解等因素,都會(huì)導(dǎo)致部分負(fù)極活性物質(zhì)顆粒失去與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電連接,從而使其無(wú)法嵌鋰,造成鋰離子電池容量損失。
 
 
近日,英國(guó)牛津大學(xué)的Christoph R. Birkl提出了利用電池的開(kāi)路電壓對(duì)鋰離子電池進(jìn)行檢測(cè)的方法。鋰離子電池的開(kāi)路電壓是正極和負(fù)極之間的電勢(shì)差,反應(yīng)了鋰離子電池的熱力學(xué)特性,因此能夠?yàn)槲覀兲峁┴S富的關(guān)于正負(fù)極的信息。Christoph R. Birkl利用扣式電池對(duì)造成鋰離子電池衰降的三種模式對(duì)電池開(kāi)路電壓的影響進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)電池的開(kāi)路電壓曲線(xiàn)的檢測(cè),就可以辨別出造成電池衰降的模式。可以說(shuō)Christoph R. Birkl的工作,為鋰離子電池系統(tǒng)的管理作出了突破性的貢獻(xiàn)。
 
 
Christoph R. Birkl利用從某商業(yè)方形電池拆下的電極制作成了扣式電池,并模擬了三種鋰離子電池衰降模式:1)鋰損失;2)負(fù)極活性物質(zhì)損失;3)正極活性物質(zhì)損失。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性,所有實(shí)驗(yàn)電池都需要首先在恒溫箱里穩(wěn)定3h,以達(dá)到熱平衡。在試驗(yàn)中測(cè)得了兩種電壓,一種是在充放電過(guò)程中測(cè)得的電壓,這也倍稱(chēng)作假電壓,假電壓可以用來(lái)輔助判斷鋰離子電池的衰降模式。而真正能夠?qū)ε袛噤囯x子電池衰降模式的是鋰離子電池的開(kāi)路電壓。
 
 
首先Christoph R. Birkl根據(jù)扣式電池極片的面積計(jì)算得到了扣式電池的理論容量,然后通過(guò)對(duì)正極極片進(jìn)行充電脫鋰模擬了不同程度的鋰鋰離子損失,通過(guò)對(duì)負(fù)極極片進(jìn)行裁切模擬了負(fù)極活性物質(zhì)損失,對(duì)正極極片裁切模擬了正極活性物質(zhì)損失。為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,Christoph R. Birkl利用柱狀圖建立了一個(gè)物理模型,如上圖所示,其中左側(cè)為負(fù)極的SoC狀態(tài),右側(cè)為正極的SoC狀態(tài),上圖模型為正常電池的模型,從圖上可以看到在正常電池設(shè)計(jì)中,一般會(huì)負(fù)極的容量設(shè)計(jì)的稍微高一些,這一般稱(chēng)作正負(fù)極冗余,適當(dāng)?shù)娜哂嗫梢员WC鋰離子電池循環(huán)性能,也能在鋰離子電池發(fā)生過(guò)充的情況下能夠容納足夠的鋰,確保鋰不析出,保證電池的安全性。
 
在該篇中,我們主要介紹了造成鋰離子電池衰降的可能原因,以及Christoph R. Birkl根據(jù)這些可能的因素,制作的扣式模擬電池,模擬了:1)鋰損失;2)正極活性物質(zhì)損失;3)負(fù)極活性物質(zhì)損失,簡(jiǎn)介了Christoph R. Birkl建立的鋰離子電池的物理模型。
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