鉅大LARGE | 點擊量：1748次 | 2021年05月17日
鋰離子電池低溫放電，究竟會不會造成加速老化呢
文章針對鋰離子電池在低溫條件下，依靠自己放電給自己加熱的情形，探討一個比較準確的溫升模型，把放電電流、荷電狀態(tài)與溫升速率統(tǒng)合到一個關(guān)系公式中去。文獻得到的結(jié)論如下：
結(jié)果表明，放電率和加熱時間呈指數(shù)下降趨勢，與放電率和功耗相似。當選擇2C放電率時，電池溫度可以在280秒內(nèi)從-10C上升至5C。在這種情況下，加熱過程的功耗不超過額定容量的15％。隨著排放率逐漸降低，加熱過程的加熱時間和功耗新增緩慢。當放電率為1C時，加熱時間超過1080s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對加熱過程中加熱時間和功率消耗的影響在不到1C時顯著增強。當放電率為1C時，加熱時間超過1080s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對加熱過程中加熱時間和功率消耗的影響在不到1C時顯著增強。當放電率為1C時，加熱時間超過1080s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對加熱過程中加熱時間和功率消耗的影響在不到1C時顯著增強。
文章討論的基礎(chǔ)是，鋰離子電池低溫充電，有個確切的且不可接受的危害是鋰單質(zhì)沉積，循環(huán)壽命受損且熱失控風(fēng)險上升。而低溫放電，則除了放電容量臨時減小以外（溫度上升以后，認為這部分容量還會回升），沒有其他明確危害。低溫2C放電，真的是沒有任何永久性的危害嗎？假如有危害，則要考慮放電自加熱帶來的加速老化在整個功能和成本體系中造成的影響。今天這篇論文，重要討論溫度和放電倍率對電池老化速率的影響。
鋰離子電池放電都有一個最佳工作溫度，也就是衰退速率最小的溫度。高于這個溫度或者低于這個溫度，都會對電池壽命帶來影響。這里要注意一個前提，不同類型的電芯最適合的溫度不同，因此高溫低溫都是相對值。這篇論文是對LiCoO2/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2軟包鋰離子電池進行的一系列測試和討論。詳細內(nèi)容如下，這次還是重要拆分成上下兩篇公布。
1簡介
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%
為了提高鋰離子電池在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用可靠性，深刻理解其老化行為至關(guān)重要。在過去的幾十年中，一直在努力解釋鋰離子電池的老化行為。Wang[15]基于石墨LiFePO4建立了包括溫度，放電深度（DOD）、放電速率在內(nèi)的循環(huán)壽命模型。[1]Ecker等人根據(jù)石墨-LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2電池的溫度和充電狀態(tài)（SoC）開發(fā)了半相關(guān)經(jīng)驗日歷老化模型。[3]盡管如此，由于多種電極材料，電池結(jié)構(gòu)和電解液成分的存在，人們對鋰離子電池老化行為仍然一知半解。
鋰離子電池的老化不僅取決于時間或循環(huán)次數(shù)，還取決于操作條件，即應(yīng)力因素。深入分析包括溫度，充放電率，DOD和平均SOC在內(nèi)的決定性應(yīng)力因素的影響是延長鋰離子電池壽命并確保其性能可靠性的先決條件。
溫度對鋰離子電池的循環(huán)老化速率有很大的影響。較低的溫度，由于強化的鋰單質(zhì)電鍍而降低循環(huán)壽命；過高的溫度，由于Arrhenius驅(qū)動的老化反應(yīng)，而縮短電池壽命；因此鋰離子電池只有在適當?shù)臏囟认虏拍塬@得最佳循環(huán)壽命。[6]Waldmann7進行了一次綜合實驗覆蓋溫度范圍從-20℃至70℃，發(fā)現(xiàn)25℃是LixNi1/3Mn1/3Co1/3O2/LiyMn2O4混合陰極和石墨/碳陽極的18650型獲得最長電池循環(huán)壽命的最佳工作溫度。如其他研究工作所示，最佳循環(huán)溫度可能不是25℃。電池的類型多種多樣，最佳循環(huán)溫度也不盡相同。Schuster等人[5]研究獲得的最佳溫度在35C，而Bauer等[8]檢測到最佳溫度是約17C。溫度高于最佳循環(huán)溫度，加速固體電解質(zhì)界面（SEI）的形成，帶來快速的容量衰減和阻抗升高。在充電過程結(jié)束時較低的溫度有利于負極表面鍍鋰的形成。許多研究者[913]已經(jīng)使用原位或者非原位方法確認了鋰離子電池負極鍍鋰現(xiàn)象的存在，但至今仍然沒有人對陰極降解問題作出明確報道。
據(jù)報道放電率對鋰離子電池的老化速率有指數(shù)級別的影響。[1，14-17]Cui等確定了方程式1.15AhLiCoO2/MCMB（中間相碳微珠）鋰離子電池的放電速率和容量損失之間的關(guān)系。[13]
在這里，Qloss是容量損失，T是以開爾文為單位的絕對溫度，C是放電倍率，n是循環(huán)數(shù)，A（C）是預(yù)指數(shù)因子，Ea（C）是活化能。
Omar等人[16]也報道了放電率對圓柱形2.3AhLiFePO4/石墨鋰離子電池循環(huán)壽命的指數(shù)影響。Wang等人[1]提取了與上述Cui等人類似的電池壽命模型，放電倍率與容量損失的關(guān)系，如下面方程[4]所示。結(jié)果基于大量的26650圓柱形LiFePO4/石墨鋰離子電池循環(huán)測試數(shù)據(jù)。
其中Qloss是容量損失，B是預(yù)指數(shù)因子，CRate是放電率，R是氣體常數(shù)，T是以開爾文為單位的絕對溫度，并且Ah是以Ah計量的電量。公式[1]和[4]是相關(guān)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停虼说忍杻蛇叺膯挝徊煌耆嗤?/p>
許多研究人員認為，大電流放電會導(dǎo)致SEI層出現(xiàn)裂紋，其次是SEI修復(fù)。[1，14，16，18，19]因此，在陽極表面上的副反應(yīng)被加速，SEI膜厚度進一步上升。所有這些過程都會新增可循環(huán)鋰的消耗和電池的阻抗。實際上，較高的電池溫度總是伴隨著較高的放電速率，這模糊了在高放電電流下加速電池老化的真正原因。本文研究了應(yīng)力因子溫度和放電速率對混合陰極鋰離子軟包電池的影響。
開發(fā)混合陰極以結(jié)合不同陰極材料的優(yōu)點。一些研究小組試圖解釋混合陰極LiMn2O4/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2的老化機理。[2，20，21]他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這類電芯的老化機理重要是可循環(huán)的鋰的損失和陰極材料的部分損失。然而，有關(guān)LiCoO2/LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（LCO/NCA）混合陰極的老化行為的信息很少。
2試驗
為了研究溫度和放電率的應(yīng)力因素對鋰離子電池的影響，測試了來自制造商Kokam的標稱容量為5Ah的SLPB50106100型鋰離子軟包電池。根據(jù)能量色散X射線光譜結(jié)果，電池的活性材料在陽極由石墨組成，在陰極由混合材料LCO/NCA組成。數(shù)據(jù)手冊給出參數(shù)范圍，電壓從2.7V至4.2V以及充電和放電的最大電流速率2C和5C。
在我們的老化實驗中，定期進行性能測試以檢查電芯的健康狀況（SoH）。性能測試分為基本性能測試和擴展性能測試?；拘阅軠y試，即容量測試，每兩周進行一次。擴展性能測試每四周進行一次，包括容量測試，開路電壓（OCV）測試和電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試。循環(huán)測試，容量測試和OCV測試由BaSyTec公司的電池測試系統(tǒng)（CTS）統(tǒng)一管理。EIS測試在BiologicScienceInstruments公司的恒電位儀VMP3上完成。所有這些測試在25C的氣候室進行。電芯測試在正常的大氣壓下進行，沒有施加額外的外部壓力。
在容量測試中，剩余容量的測量如下。將1C的恒定電流（CC）（對應(yīng)于5A）充電至4.2V，然后在4.2V下切換至恒定電壓（CV）。CV階段，當電流降至0.05C以下時，電芯被認為是100％充滿。在10分鐘的停頓后，施加1C的CC以將電池放電至2.7V，接著是CV階段，進一步放電直至電流降至0.05C以下。這個CV階段的目的是為了最小化單元中阻抗上升對測量容量的影響。OCV測試總是在上述容量測試10小時后開始，以排除OCV曲線回彈的影響。執(zhí)行0.1C的CC以將電池充電至4.2V，然后使用與上述相同的CV充電階段。暫停1小時后，電池以0.1CCC放電至2.7V并以與上述相同的CV放電階段放電。在恒流模式下OCV測試6小時后，以100kHz至10mHzAC振幅為200mA交流激勵下測量電池在50％SoC下阻抗譜。奈奎斯特圖中零交叉處阻抗的實部取作電池的歐姆電阻。
表I供應(yīng)了老化測試矩陣的概述。溫度測試系列，選擇10C，25C和40C。在循環(huán)曲線上，在每個溫度下，電芯用1CCC-CV程序進行充電并用1CCC程序進行放電。充電過程在4.2V時從CC切換至CV，并且當電流降至0.05C以下時，CV過程停止。放電過程停止在2.7V。關(guān)于放電率測試系列，全部電芯在25C測試。放電過程改變?yōu)?C和5CCC放電，而充電過程保持不變。在每個老化條件下至少測試兩個電池，并在下面的章節(jié)中給出它們的平均性能以及最大值和最小值的范圍。
3結(jié)果與討論
為了研究LCO/NCA-石墨基電池的老化行為，電池性能參數(shù)的演變，即放電容量和歐姆電阻，在所有運行條件下進行提取和比較放電容量和歐姆內(nèi)阻。此外，EIS，差分電壓分析（DVA）和增量容量分析（ICA）被用作老化檢測方法以揭示相關(guān)老化機制。
溫度的影響
本節(jié)介紹在不同溫度下測試電芯的老化行為。圖1a顯示了在三個環(huán)境溫度下的歸一化放電容量與等效全循環(huán)（EFC）。表2列出了不同循環(huán)電池表面溫度的的最小值，最大值和平均值。三種環(huán)境溫度，10C，25C和40C，分別對應(yīng)于10.1C，27.5C和41.5C三個電池表面實測溫度。這些溫度數(shù)據(jù)是取自電池容量損失達到20％之前的最后一個循環(huán)。這些值可以被認為是最壞情況的值，因為在早期的循環(huán)測試中電池的內(nèi)部電阻較低。一開始，所有測試電池的平均放電容量（CC+CV）為5.709Ah，偏差為0.26％。在前300個周期中，所有電芯出現(xiàn)一種基本容量衰退現(xiàn)象。之后，不同電芯容量以不同速率線性下降。循環(huán)在25C溫和條件下進行，得到最低的容量衰減速率。10C和40C的循環(huán)都加速了容量的衰減。測試不同電池的容量偏差，在相同的負載條件下通常可忽略不計，證明了優(yōu)異的電池質(zhì)量。這些電芯在40C循環(huán)容量損失超過15％時是個例外。在這里，觀察到兩條不同的老化曲線。一個單元繼續(xù)在EFC趨勢上線性地損失容量。另一個單元顯示出了電池容量衰減的翻倍效應(yīng)。
數(shù)據(jù)來自EIS測量。在開始的時候，平均歐姆電阻為2.7m，偏差5％。在所有案例中，該歐姆電阻從一開始就線性新增。與圖1a中的容量衰減相反，歐姆電阻的新增隨著溫度的升高而加劇，這表明不同的老化機特種致電容衰減和歐姆電阻新增。EFC上的電阻偏差大于容量偏差并逐漸擴大。假如是在40℃循環(huán)的電芯，電阻進化也分為兩種模式，一個持續(xù)線性新增，另一個加速新增。這與他們的容量變化趨勢一致。
許多研究中已經(jīng)報道了電池容量對EFC的線性依賴性。[4，20，22]在該線性區(qū)域中的老化機制可以被分類為周期誘導(dǎo)的容量損失和基于日歷老化的容量損失。循環(huán)引起的容量損失是指由陽極顆粒上的循環(huán)觸發(fā)裂紋和附加的SEI形成引起的鋰消耗?；谌諝v老化的容量損失與溫度加速的化學(xué)寄生有關(guān)。消耗鋰的反應(yīng)，例如SEI的形成和重建。10C時的容量衰減率比25C時更高很可能是鍍鋰的結(jié)果[7，8]由于較低的溫度下，內(nèi)部電極電阻的新增和陽極電勢最終下降到負電位，也即達到Li/Li+負向可逆電位。[23]
歐姆電阻起源于電池的體積化學(xué)性質(zhì)，包括電解質(zhì)，活性材料和集電體的電阻。[5，2427]歐姆電阻的新增重要來自電解液中電鹽和溶劑的分解，這又改變了電解質(zhì)的導(dǎo)電性。[21，28-30]
同時拆解一只在40C下用更高的老化速率循環(huán)的電芯和一個新電芯。發(fā)現(xiàn)老化的電芯內(nèi)部已經(jīng)干燥，因為沒有看到電解液濕潤電極和隔膜的痕跡。沒有可見的液體電解質(zhì)，進而可以假定電解質(zhì)分解是顯著的容量衰減和電阻新增的原因。此外，在老化的陽極層上也觀察到電鍍的鋰，在40C的溫度，這通常是沒有想到的。這暗示了翻倍的電池容量衰減和鋰電鍍的影響，
這里描述了測試電芯的老化行為。圖2a顯示了在25C環(huán)境溫度下歸一化的放電容量與EFC的關(guān)系，有三種放電率1C，3C和5C，如表II所示。平均表面溫度27.5C，30.2C和31.1C，分別對應(yīng)1C，3C和5C放電循環(huán)。與圖1a類似，容量在前300個周期中顯著衰減，之后，容量在所有情況下都呈準線性下降。所有容量衰退曲線在300次循環(huán)之后幾乎平行，直到壽命結(jié)束。平均電芯表面溫度升高的影響和較高放電率對老化速率的影響密不可分。1C循環(huán)環(huán)壽命約4800EFC，而5C循環(huán)壽命在3500EFC左右。除了在接近壽命終止的5C循環(huán)的電池之外，容量偏差仍然難以察覺。
各電芯歐姆電阻跟隨EFC變化的趨勢。3C和5C的歐姆電阻與1C不同，在開始時迅速新增，中間段增速比較平緩，而在壽命結(jié)束時再次顯著新增。值得注意的是，以5C放電速率循環(huán)的電池非?？焖俚厥蛊錃W姆電阻加倍。3C和5C循環(huán)的電芯電阻偏差比1C的大得多，差異伴隨老化的加深而增大。
與18650型鋰離子電池相比，軟包鋰離子電池通常具有較低的歐姆電阻。在5C循環(huán)時，電芯壽命終結(jié)時顯示11.3m的最大歐姆電阻，其對應(yīng)于三倍以上的初始歐姆電阻。
關(guān)于不同的放電率觀察到類似的線性容量衰減速率，這意味著所有三種情況的老化機制相似。據(jù)推測，高放電速率引起快速的體積變化，會破壞SEI層并引起更多的電解質(zhì)分解，因此在3C和5C的前300個循環(huán)中顯示出更多的容量損失。此后，1C，3C和5的容量老化率大致相同，這說明SEI層的穩(wěn)定性和SEI上升率不變。[14，18，19]3C和5C較高的電池溫度，在最初的幾百個循環(huán)中，也可以具有幫助SEI的穩(wěn)定的用途。
