鉅大LARGE | 點擊量：4369次 | 2020年03月11日
鋰離子電池放電容量影響因素解析
隨著充放電循環次數的新增，電池容量將會不斷衰減，當容量衰減至額定容量的75%~80%時，認為鋰離子電池進入失效狀態。放電倍率、電池溫升、環境溫度對鋰離子電池放電容量有較大影響。
本文對電池采用恒壓恒流充電、恒流放電的充放電準則，將放電倍率、電池放電溫升、環境溫度依次作為變量和定量進行循環實驗，分析不同正極材料下，放電倍率、電池放電溫升、環境溫度以及循環次數對鋰離子電池放電容量的影響。
一、電池基本實驗方案
正、負極材料不同，循環壽命差異較大，影響電池的容量特性。磷酸鐵鋰(LFP)和鎳鈷錳三元材料(NMC)以其獨特優勢廣泛用作鋰離子二次電池的正極材料。由表1可知，NMC電池的額定容量、標稱電壓、放電倍率值都高于LFP電池。
將LFP和NMC的鋰離子電池按照一定的恒流恒壓充電、恒流放電規則進行充放電，在充放電過程中記錄充放電截止電壓、放電倍率、電池溫升、實驗溫度、電池容量的變化情況。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
二、放電倍率對放電容量的影響
固定溫度和充放電規則，將LFP電池和NMC電池按照不同放電倍率進行恒流放電。調整溫度分別為：35、25、10、5、－5、－15℃。
由圖1可知，相同溫度下，通過新增放電倍率，LFP電池放電容量整體呈現衰減趨勢。相同放電倍率下，低溫變化對LFP電池放電容量影響較大。
當溫度降到0℃以下時，放電容量衰減嚴重并出現容量不可逆現象。值得說明的是，LFP電池在低溫和大放電倍率的雙重影響下加重放電容量的衰減。相比LFP電池，NMC電池對溫度更為敏感，放電容量隨環境溫度、放電倍率變化顯著。
由圖2可知，相同溫度下，NMC電池放電容量整體呈現先衰減后回升的趨勢。相同放電倍率下，溫度越低則放電容量越少。
隨著放電倍率的升高，鋰離子電池持續出現放電容量衰減現象，究其原因是由于極化嚴重，放電電壓提前減小到放電截止電壓，即放電時間縮短，放電不充分，負極Li+沒有脫嵌完全。電池放電倍率在1.5～3.0時，放電容量開始顯現不同程度的回升跡象。由于反應的持續進行，電池本身的溫度會隨放電倍率的新增而顯著升高，Li+熱運動能力加強、擴散速度加快，使得Li+脫嵌速度加快，放電容量回升。由此得出，大放電倍率和電池本身溫升的雙重影響導致了電池的不單調現象。
三、電池溫升對放電容量的影響
NMC電池在30℃下分別進行2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5C放電實驗，得出的放電容量與鋰離子電池溫升變化關系曲線如圖3所示。
由圖3可知，相同放電容量下，放電倍率越高，溫升變化越顯著。在相同放電倍率下對恒流放電過程的三個時期進行分析可知，溫度升高重要在放電初期和后期。
四、環境溫度對放電容量的影響
鋰離子電池的最佳工作溫度是25～40℃。由表2、表3比較可看出，當溫度低于5℃時，兩類電池放電迅速、放電容量顯著減少。
低溫實驗后恢復高溫，相同溫度下，LFP電池放電容量減137.1mAh，NMC電池減少47.8mAh，但溫升與放電時間并無改變。可見LFP熱穩定性良好，僅在低溫下表現出較差的耐受性，電池容量出現不可逆的衰減；而NMC電池對溫度變化敏感。
五、循環次數對放電容量的影響
圖4為鋰離子電池容量衰減曲線示意圖，將放電容量在0.8Q記為電池失效點。隨著充放電循環次數的新增，放電容量開始呈現衰減。
將1600mAh的LFP電池以充電0.5C放電0.5C進行充放電循環實驗，共進行600次循環實驗，以電池容量的80%作為電池失效判別標準。以100為間隔次數對放電容量及容量衰減相對誤差的百分比進行分析，如圖5所示。
將2000mAh的NMC電池以充電1.0C放電1.0C進行充放電循環實驗，以電池容量的80%作為壽命截止時的電池容量。取前700次，以100為間隔次數對放電容量以及容量衰減相對誤差的百分比進行分析，如圖6所示。
LFP電池和NMC電池在循環次數為0時的容量均為額定容量，但通常實際容量小于額定容量，故在第一個100次循環后，放電容量衰減嚴重。LFP電池循環壽命長，理論壽命是1000次；NMC電池理論壽命是300次。經歷相同的循環次數，NMC電池容量衰減速度較快；當循環次數為600時，NMC電池容量衰減接近失效閾值位置。
六、結論
通過對鋰離子電池進行充放電實驗，以正極材料、放電倍率、電池溫升、環境溫度和循環次數五個參數作為變量，分析了容量相關特性與不同影響因素之間的關系，得出以下結論：
(1)在電池額定溫度范圍內，適當的高溫對Li+的脫嵌和嵌入有促進作用。尤其是對放電容量來說，放電倍率越大，生熱速率越大，鋰離子電池內部的電化學反應越明顯。
(2)LFP電池在充放電過程中對高溫、放電倍率表現出較好的適應性；對低溫有較差的耐受性，放電容量衰減嚴重，升溫后不可恢復。
(3)在相同的充放電循環次數下，LFP電池循環壽命長，NMC電池容量更快衰減至額定容量的80%。
(4)與LFP電池相比，NMC電池放電容量對溫度更為敏感，并且在大放電倍率下，放電容量出現不單調性且溫升變化顯著。
