动力电池入门-为什么电池容量会衰减

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动力电池入门-为什么电池容量会衰减 [复制链接]

锂离子电池由于其体积小、电压高、容量高、无记忆效应等优点，使它成为了新能源汽车的首选电源，受到了人们的广泛关注。

锂离子电池寿命为什么那么短？锂离子电池的容量衰减机理是什么？除去工程师们研究的在电池设计上延长使用寿命，普通新能源车主使用电动车过程中有什么办法能够减缓衰减？

这篇文章给你答案。

 

 

但是锂离子电池一个最头疼的问题就是循环寿命。不管是三元锂离子电池还是磷酸铁锂电池都会伴随着使用过程容量衰减。容量衰减成为新能源车主关心的主要问题之一。

容量衰减其实就是电池的寿命问题。当锂离子电池容量衰减达到一定程度后，动力电池就不适合用在车上了。

磷酸铁锂电池循环寿命约1500-2000次，三元电池循环寿命约800-1500次，根据使用情况会有不同。

衰减原因分析

衰减的主要机理是锂离子减少和内阻增大，具体表现为以下五项。

1.正极材料结构变化

正极材料是目前锂离子电池体系中锂离子的主要来源，所以正极材料一般都是含锂化合物，最常用的是由锂和过渡金属元素形成的嵌入式氧化物。目前应用最多的正极材料主要有六方层状结构的LiMO2（其中M=Ni,Co,Mn），尖晶石结构LiMn2O4以及橄榄石结构的LiFePO4。

随着循环次数增加，离子不断在材料正极中嵌入脱出时，会发生持续的相变，长期下去必然会对晶体稳定性带来威胁。导致正极材料结构发生变化。

2.负极材料结构变化

锂离子电池的负极材料一般为层状石墨，它的层数可达上百层。

电池充电时锂离子嵌入到层间，同时与外电路输运来的电子结合，形成锂化石墨，此时层间距会有所增大；放电时，锂离子从石墨层间失去并向外电路释放电子，发生脱嵌被氧化的反应，此时层间距又会减小。

碳负极材料在电池首次充电过程中会与电解液发生反应，会破坏负极材料的结构。具体表现为三种形式。第一种是溶剂化锂离子的嵌层反应或者溶剂共嵌入反应，这种情况对石墨结构的破坏，导致层状的石墨结构被粉化，石墨的电子导电性中断。第二种是在碳负极表面形成一层钝化膜，即固体电解质膜（SEI），优良的SEI膜具有电子绝缘性，可以阻止溶剂分子在电极表面持续的还原反应，防止溶剂化锂离子嵌入石墨层间，可以保护碳负极。第三种是两种情况同时存在，石墨负极的整体被钝化，但部分结构损坏。因此，在锂离子嵌脱过程中，其体积将发生变化，这种特点限制了电池的充放电循环寿命。如果在循环过程中发生溶剂化锂离子的嵌层反应或者溶剂共嵌入反应，会直接破坏石墨层的结构，导致层状的石墨结构被粉化，石墨的电子导电性中断。

 

3.活性物质溶解

根据电池原理我们知道，正极负极材料都是浸润在电解液中的，所以正负极材料会随着充放电过程溶解在电解液中。这种溶解是不可逆的。

它对电池容量的影响具体表现为：

①金属元素的溶解导致活性物质量减少，直接造成电池容量损失；

②正极材料的溶解引起材料结构的变化，并且在颗粒表面形成没有化学活性的物质，使得锂离子在电池材料中传输受阻；

③电解液中含有溶剂化的金属离子，在电解液中迁移至负极，在低电势下以金属或者盐的形式沉积在负极表面，这些沉积物对负极表面的稳定性和厚度有这不可避免的影响，导致电极表面极化增加，电池内阻增大。

 

4.锂离子消耗

锂离子的消耗主要在于SEI膜的增长。

在锂离子电池的设计中，一般负极的容量都会略多于正极，而可循环的锂离子也是由电极正极提供，所以决定电池容量的是在正负极间可逆嵌入和脱出的锂离子含量。

在首次充放电过程中负极表面形成的SEI膜主要成分是锂离子化合物，这会消耗一部分锂离子，而且这种容量损失是不可逆的。

如果电池在使用过程中SEI膜遭到破坏，就会形成新的SEI膜。这就进一步消耗有限的锂离子。

根据一些研究表明，磷酸铁锂电池循环次数超过1000次后，负极阻抗明显增加，原因为负极表面SEI膜增厚（消耗了更多锂离子）

5.内阻增加

电池长期循环的过程中，内阻的增加也是引起容量衰减的一个重要原因。

引起内阻增加的原因有很多，主要来自两个方面：

① 电解液在电极电解液的界面发生氧化反应导致电极表面膜电阻增加，负极膜不稳定在循环过程中不断在表面形成新的表面膜等等原因都使得极化增加，电池内阻增加；

② 正极中金属离子在电解液中的溶解，溶解的离子化的金属离子通过电解液迁移到负极，在负极表面以金属或者盐的形式沉积在负极表面，造成电极极化增大。

另外集流体的腐蚀也会增加内阻阻抗。

6.电池滥用

电池滥用会造成锂离子电池加速衰减。滥用行为主要有快速充放电、使用温度过高和过低、长期深度充放电、振动和冲击。

快速充放电时电流密度过大，由于电解液和正负极材料运送锂离子的速率不同，会导致正负极极化。极化严重时就会在表面形成锂离子氧化物、锂离子沉积，长此以往可能会造成材料结构破坏。

在明显高于室温的情况下，有机电解质的热稳定性成为首先要考虑的问题，这全要包括有机电解质自身热稳定性以及电极隋机电解质相互作用的热稳定性两个方面。一般认为，正极/有机电解质的反应对铿离子电池安全性 的影响是主要因素。因为正极、电解质的反应动力学非常快，故控制着整个电池耐热性能 。如果电池的环境温度足以引起正极电解质反应，就会导致电池的热失控状态，甚至起火、爆炸。放电电流的大小直接影响锂离子电池的放电容量，在大电流放电时不仅存在严重的电解质界面极化，还有活性体即嵌入离子及在电极中的扩散极化。

在极低温度下，比如低于-20℃，电极材料活性降低，电解液变得粘稠，运送锂离子的速率减弱，形成枝晶，有损坏电池结构的风险。

过度充放电，一是会造成电解液过度挥发，二是锂电池的负极过度反应使其介质膜发生变化造成脱嵌能力下降，形成容量的永久性损失；充电主要从电压稳定性和到深夜电网电压升高，本已经停止充电的充电器，电压升高后，又会继续充电，造成电池过充电导致正极材料结构变化容量损失，分解放氧与电解液剧烈氧化反应进而燃烧爆炸；电解液有机溶剂/电解质锂盐分解；负极析锂过放可能导致负极铜集电极溶解，正极形成铜枝晶。

振动和冲击容易造成集流体焊接点松动、电池正负极材料脱落等，会对电池容量造成永久损失。

如何减缓电池衰减

浅充浅放是对锂离子电池寿命最好的。使用方式。

尽量每隔一个月时间对电池做一次慢充，促进电池均衡。

尽量少在极端低温条件（低于-20℃，磷酸铁锂电池的低温性能比三元锂离子电池差）下使用。

夏天40多度的环境下，你一定要确保电池能够正常冷却，不要频繁的进行急加速急减速（这种情况会加快电池升温，冷却系统跟不上）。

在路况不好的路上行驶时，一定要注意不要磕碰到电池，降低车速通过。

长时间不使用车辆时，使电池的电量保持在一半（SOC 50%）左右。

如果车辆亮了电池相关的报警指示灯，一定要到4s店检查确认没问题后再使用车辆。

wangerxian

所以那些新能源跑滴滴的一天充一次，5年电池就要换了，感觉新能源电池是个很大的污染源。

okhxyyo

wangerxian 发表于 2023-11-8 17:22 所以那些新能源跑滴滴的一天充一次，5年电池就要换了，感觉新能源电池是个很大的污染源。

为什么会说是很大的污染源。

wangerxian

okhxyyo 发表于 2023-11-8 17:30 为什么会说是很大的污染源。

这新能源电池不能用后，没法进行无害处理吧。

redguo

所以那些新能源跑滴滴的一天充一次，5年电池就要换了，感觉新能源电池是个很大的污染源。

花鼓舞

所以那些新能源跑滴滴的一天充一次，5年电池就要换了，感觉新能源电池是个很大的污染源

污染無窮

qwqwqw2088

电动的汽车怎么能做到“浅充浅放是对锂离子电池寿命最好的。使用方式”？