【導(dǎo)讀】鋰離子動力電池在行業(yè)中應(yīng)用頗廣泛，受限于目前的鋰離子動力電池技術(shù)發(fā)展瓶頸，對動力電池使用壽命的影響因素進(jìn)行研究，并解決相關(guān)問題用以延長動力電池的使用壽命顯得十分重要。首先要搞明白，到底殘害鋰離子動力電池壽命的兇手是誰？
鋰離子動力電池單體并不能滿足電動汽車的動力需求，因此電動汽車必須采用多塊電池進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成的動力電池組來提供電動汽車使用能量。從目前的鋰離子動力電池單體制造工藝水平來看，生產(chǎn)過程中的各種因素影響使得同一型號的單體電池也會在電壓、容量、內(nèi)阻等方面產(chǎn)生偏差。動力電池組的性能決定于電池單體的性能，但絕不是單體電池性能的簡單累加。由于單體電池性能不一致性的存在，使得動力電池組在電動汽車上進(jìn)行反復(fù)使用時，動力電池組產(chǎn)生各種問題從而導(dǎo)致使用壽命縮短。
受限于目前的鋰離子動力電池技術(shù)發(fā)展瓶頸，對動力電池使用壽命的影響因素進(jìn)行研究，并解決相關(guān)問題用以延長動力電池的使用壽命顯得十分重要。這將有助于鋰離子動力電池在電動汽車的發(fā)展，提高鋰離子動力電池的使用效率。
動力電池單體使用壽命的影響因素
針對在電動汽車上使用的動力電池使用壽命終了，定義是電池的衰減量達(dá)到初始容量的20%。動力電池的使用壽命在電動汽車上反復(fù)充放電時，會由于鋰離子電池內(nèi)部的副反應(yīng)不斷發(fā)生使得電池本體材料性質(zhì)而發(fā)生衰退。這種衰退是由于以下幾個方面產(chǎn)生：電極材料晶格結(jié)構(gòu)的改變;電極材料發(fā)生分解、剝落或腐蝕造成活性材料減少;電解液分解消耗引起的導(dǎo)電性下降和阻抗增加;由于負(fù)極析鋰或副反應(yīng)造成可脫嵌的鋰離子被消耗;副反應(yīng)生成的氣體、不溶物質(zhì)以及粘結(jié)劑改性和集流體腐蝕引起的阻抗增加。
從實(shí)際使用環(huán)境條件來看，影響動力電池單體使用壽命的因素主要包括充放電截止電壓、充放電倍率、使用溫度以及擱置條件。
已經(jīng)有很多資料文獻(xiàn)表明在一定范圍內(nèi)，不同充電截止電壓的循環(huán)壽命分別隨充電電壓越高而越短。這說明充電截止電壓對電池使用壽命的影響非常大。高的充電截止電壓會加劇電池副反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致電池使用壽命縮短。動力電池在整車上使用時，由于電動汽車的各種行駛狀況使得電池易出現(xiàn)衰退而在較高電位區(qū)域充放電時性能下降較嚴(yán)重。
動力電池在電動汽車的使用過程中為滿足不同的駕駛工況從而采用不同的充放電倍率。對動力電池倍率充放電的研究表明大倍率充放電會加速電池容量的衰減，充放電倍率越大，電池容量衰減越快。這主要是由于正極材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變以及負(fù)極表面膜增厚導(dǎo)致鋰離子擴(kuò)散困難造成的。如果充放電倍率過大的話，還有可能造成單體電池過熱、短路引起爆炸等。
不同的動力電池有不同的最佳使用溫度，過高或過低的溫度都會對電池的使用壽命產(chǎn)生影響。隨著溫度的降低，鋰離子動力電池的放電容量會有所降低。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，引起電池內(nèi)阻迅速增大，導(dǎo)致電池在低溫時輸出性能變差。
動力電池在擱置不使用的條件下，會由于電池本身的性質(zhì)發(fā)生自放電、正負(fù)極材料鈍化、電解液分解等情況。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)極SEI性能不穩(wěn)定會導(dǎo)致負(fù)極活性材料快速衰退，并
容易產(chǎn)生鋰金屬析出，而形成穩(wěn)定SEI膜的鋰電池可以在高溫條件下儲存超過4年，同時不同的電解液組份對電極材料的衰退影響程度不同。
單體的不一致性對動力電池組的影響
電池單體的不一致性主要是在制造過程中產(chǎn)生，由于工藝水平使電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差別。這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不一致性就會使同一批次出廠的同一型號電池的電壓、容量、內(nèi)阻等不可能完全一致。單體電池的不一致性對動力電池組使用壽命的影響分為電壓的不一致性、容量的不一致性以及內(nèi)阻的不一致性。
在單體電池成組的過程中，如果電壓的不一致性較大，會造成低壓電池與正常電池一起使用時成為電池組的負(fù)載。因?yàn)楫?dāng)并聯(lián)的兩節(jié)電池中存在低壓電池，那么會發(fā)生互充電現(xiàn)象，其他電池將會給該電池充電。這種連接方式會使得低壓電池的容量小幅度增加而高壓電池容量大幅度減少，能量損耗在互充電上達(dá)不到理想的對外輸出。
初始容量不一致在電池成組前經(jīng)過篩選已經(jīng)大大減小，在使用過程盡管可以通過電池單體單獨(dú)充電方式來平衡單體電池初始容量的不同。但電動汽車的連續(xù)充放電循環(huán)過程使得這種不一致性在某種程度上會放大，容量隨循環(huán)的衰減速度不同，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，容量的差異就會越來越大。這樣會使得單體電池的容量加劇衰減帶動整個電池組的容量衰減。
內(nèi)阻的不一致性使得單體電池在電池組內(nèi)的電壓電流分配不均，局部出現(xiàn)過壓充電或欠壓放電。內(nèi)阻的不一致性還會使單體電池在放電過程中熱量的損失不等，內(nèi)阻越大則溫度升高的速度越快，有可能最終造成熱失控。
電壓、容量、內(nèi)阻等各類不一致性導(dǎo)致電池單體壽命與電池組壽命出現(xiàn)差異，主要表現(xiàn)在溫度差異、充放電倍率差異、放電深度差異和可用容量差異上。比如放電深度的差異，由于電池單體初始容量的差異，大部分電池還處于淺放電的狀況下，低容量的電池單體已經(jīng)深度放電。
總結(jié)
影響動力電池組壽命的因素較多且相互作用，致使電池組性能容易出現(xiàn)比較嚴(yán)重的衰退，尤其在高溫低溫或過充放電這類條件下并缺乏有效的管理和控制時，電池組的性能將進(jìn)一步衰退。另外，大量單體電池的串聯(lián)與并聯(lián)使得容量和性能較差的某個單體限制了整個電池組的性能，進(jìn)而限制了電池組的充分使用。
