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      如何延長鋰離子電池壽命?鋰離子電池老化原因

      來源:鋰離子電池廠家?作者:諾信電子??發布時間:2020-06-18 10:24:14??閱讀數:

      一起來探討鋰離子電池老化的原因以及采用哪些措施來延長鋰離子電池壽命。

      鋰離子電池尚未完全成熟,并且還在改善中。隨著容量的逐漸增加,壽命和安全性有了顯著的進步。如今,鋰離子電池已滿足大多數消費類設備的期望,但新能源汽車的應用仍需要進一步開發,然后這種電源才能成為公認的規范。

      鋰離子電池老化的原因

      作為電池護理人員,您需要知道如何延長電池壽命。每個電池系統在充電速度,放電深度,負載和承受不利溫度方面都有獨特的需求。檢查是什么原因導致容量損失,內部電阻上升如何影響性能,高自放電率有什么作用,電池可以放電到多低?您可能還對電池測試的基礎知識感興趣。

      鋰離子電池老化的原因

      鋰離子電池負責正負極之間的離子運動。理論上,這種機制應該永遠有效,但是隨著時間的流逝,循環,高溫和老化會降低性能。制造商采取保守的方法,并指定大多數消費產品中鋰離子電池的壽命為300至500次充/放電周期。

      在計數周期上評估電池壽命不是決定性的,因為放電深度可能會變化,并且沒有明確定義周期的組成標準。代替周期計數,一些設備制造商建議在日期戳上更換電池,但是這種方法并未考慮使用方法。由于過度使用或不利的溫度條件,電池可能會在指定的時間內失效。但是,大多數包裝的使用壽命比郵票所示的要長得多。

      電池的性能以容量進行衡量。內部電阻和自放電也起著作用,但是在預測現代鋰離子電池的使用壽命結束時,這些作用并不重要。

      圖1說明了在Cadex實驗室循環使用的11個鋰聚合物電池的容量下降。首先以1500mA(1C)的電流將電池充電至1500mAh,然后將其充電至4.20V/cell,然后作為完全充電飽和的一部分使其飽和至0.05C(75mA)。然后將電池以1500mA放電至3.0V/cell,并重復該循環。鋰離子電池的預期容量損失在交付的250個循環中是均勻的,并且電池按預期運行。

      11個鋰聚合物電池的容量下降

      圖1:容量下降作為循環的一部分。在Cadex C7400電池分析儀上測試了11個新的鋰離子電池。所有包裝開始時的容量為88–94%,經過250個完整的放電循環后下降至73–84%。1500mAh的小袋包裝用于手機。

      由Cadex提供

      盡管電池在使用的第一年內應提供100%的容量,但通常會發現電池容量低于規定的容量,并且保質期可能會造成這種損失。此外,制造商往往會夸大其電池,因為他們知道很少有用戶會進行抽查并抱怨電池電量不足。不必像多單元電池組中那樣匹配移動電話和平板電腦中的單電池,這為許多廣泛的性能接受打開了閘門。容量較低的電池可能會在用戶不知情的情況下穿過裂縫。 

      與機械設備在長時間使用后會很快磨損一樣,放電深度(DoD)決定電池的循環次數。放電次數越少(DoD越?。?,電池壽命越長。盡可能避免完全放電,并在兩次使用之間更頻繁地給電池充電。鋰離子部分放電是可以的。沒有內存,電池不需要定期的完全放電循環以延長使用壽命。例外情況可能是對智能電池或智能設備上的電量計進行定期校準。

      下表列出了鈷基鋰離子與應力相關的容量損失。磷酸鐵鋰和鈦酸鋰的電壓較低,不適用于給定的參考電壓。

      注意:表2、3和4指出了普通鈷基鋰離子電池在放電深度,溫度和充電水平上的總體老化趨勢,表6進一步考察了在給定和放電帶寬內工作時的容量損失。下表未解決超快速充電和高負載放電會縮短電池壽命的問題。沒有所有電池的行為相同。

      表2估計了在電池容量降至70%之前,鋰離子在各種DoD級別下可以提供的放電/充電循環次數。DoD構成完全充電,然后放電到表中指示的荷電狀態(SoC)級別。

      鋰離子電池循環壽命與放電深度的關系

      表2:循環壽命與放電深度的關系。部分放電可減輕應力并延長電池壽命,部分充電也可以。高溫和大電流也會影響循環壽命。

      注意: 100%DoD是一個完整的周期;10%非常簡短。以中間充電狀態騎車將擁有最佳的壽命。

      鋰離子在暴露于熱時會承受壓力,因此將電池保持在高充電電壓下也是如此。駐留在30°C(86°F)以上的電池被認為是高溫,并且對于大多數鋰離子電池而言,高于4.10V/電池的電壓被視為高壓。將電池置于高溫下并長時間處于充滿電狀態會比循環更具壓力。表3展示了容量損耗隨溫度和SoC的變化。

      各種溫度下儲存鋰離子一年時的估計可恢復容量

      表3:在各種溫度下儲存鋰離子一年時的估計可恢復容量。溫度升高會導致永久容量損失。并非所有的鋰離子系統都表現相同。

      大多數鋰離子電池充電至4.20V /電池,峰值充電電壓每降低0.10V /電池,則循環壽命將延長一倍。例如,充電至4.20V /節的鋰離子電池通??商峁?00–500個循環。如果僅以4.10V / cell充電,則壽命可以延長到600–1000個周期。4.0V /單元應提供1200–2000個周期,而3.90V /單元應提供2400–4000個周期。

      在負極,較低的峰值充電電壓會降低電池的存儲容量。作為簡單的指導原則,充電電壓每降低70mV,總容量就會降低10%。在隨后的充電中施加峰值充電電壓將恢復全部容量。

      就壽命而言,最佳充電電壓為3.92V/電池。電池專家認為,該閾值消除了所有與電壓有關的應力;降低價格可能不會進一步獲得好處,但會引發其他癥狀。表4總結了容量與電荷水平的關系。

      鋰離子電池放電周期和容量與充電電壓極限的關系

      表4:放電周期和容量與充電電壓極限的關系。每下降0.10V低于4.20V/單元,循環次數將增加一倍,但容量將降低。將電壓提高到4.20V / cell以上會縮短壽命。讀數反映出常規鋰離子電池充電至4.20V /電池。

      準則:充電電壓每下降70mV,可用容量就會降低約10%。

      注意:就高比能量而言,部分充電會抵消鋰離子電池的優勢。

      充滿電后,具有不同電壓水平的電池也適用類似的壽命周期。

      以充滿電后的100%容量的新電池為基礎。

      實驗:瑞典查爾默斯科技大學報告說,使用降低的50%SOC充電量可使汽車鋰離子電池的預期壽命提高44–130%。

      大多數用于手機,筆記本電腦,平板電腦和數碼相機的充電器可將鋰離子電池充電至4.20V/電池。這允許最大的容量,因為使用者希望的就是最佳運行時間。另一方面,工業界更關注壽命,并可能選擇較低的電壓閾值。衛星和電動汽車就是這樣的例子。

      出于安全原因,許多鋰離子電池不能超過4.20V。雖然較高的電壓會提高容量,但超過此電壓會縮短使用壽命并損害安全性。圖5展示了周期計數與充電電壓的關系。在4.35V電壓下,普通鋰離子的循環次數減少了一半。

      鋰離子電池周期計數與充電電壓的關系

      圖5:充電電壓升高對循環壽命的影響。 較高的充電電壓可提高容量,但會降低循環壽命并損害安全性。

      資料來源:Choi等。

      除了為給定的應用選擇最適合的電壓閾值外,常規鋰離子也不應長時間保持在4.20V/電池的高壓上限。鋰離子充電器會關閉充電電流,并且電池電壓會恢復到更自然的水平。這就像劇烈運動后放松肌肉。

      圖6說明了動態應力測試(DST),反映了在各種充電和放電帶寬下循環鋰離子電池時的容量損失。當將充滿電的鋰離子放電到25%的SoC(黑色)時,容量損失最大。如果完全放電,損失會更高。在85%到25%(綠色)之間循環可提供比充電到100%和放電到50%(深藍色)更長的使用壽命。通過將鋰離子充電至75%,然后放電至65%,可以實現最小的容量損失。但是,這不能充分利用電池。據說高壓和暴露于高溫下比正常條件下循環更快地降解電池。

      鋰離子電池容量損失隨充放電帶寬的變化

      圖6:容量損失隨充放電帶寬的變化。鋰離子充放電只能部分延長電池壽命,但會降低利用率。

      情況1:75–65%的SoC可以提供最長的循環壽命,但僅提供90000能量單位(EU)。消耗10%的電池電量。

      情況2:75%到25%的SoC具有3000個周期(達到90%的容量),并提供150000 EU。消耗50%的電池電量。(EV電池,新的。)

      情況3:85–25%的SoC具有2000個循環。提供120000歐盟。消耗60%的電池電量。

      情況4:100–25%SoC;電池使用率達到75%的情況下,使用壽命長。壽命短。(手機,無人機等)

      表2和圖6之間的周期計數存在差異。除了假設電池質量和測試方法存在差異外,沒有明確的解釋可用。低成本消費級和耐用工業級之間的差異也可能起作用。與20ºC相比,高溫下的容量保持率下降速度更快。

      只有一個完整的周期才能提供電池的指定能量。使用現代的能量電池,功率約為250Wh/kg,但是循環壽命會受到影響。所有這些都是線性的,延長壽命的中間范圍(85-25%)將能量降低到60%,這相當于將比能量密度從250Wh/kg降低到150Wh/kg。手機是利用電池全部能量的消費品。諸如EV之類的工業設備通常將充電限制為85%,將放電限制為25%或60%的能源可用性,以延長電池壽命。

      增加循環深度也會增加鋰離子電池的內部電阻。圖7顯示了使用直流電阻法測得的在61%的循環深度處的急劇上升。電阻的增加是永久的。

      使用直流電阻法測得的在61%的循環深度處的急劇上升

      圖7:通過增加鋰離子的循環深度,內部電阻急劇上升。

      注意:DC方法提供的內部電阻讀數與AC方法(綠色框)不同。為了獲得最佳結果,請使用DC方法計算負載。

      資料來源:慕尼黑工業大學(TUM)

      圖8通過使用外推程序推斷圖6的數據以擴展鋰離子的預測循環壽命,該程序假定電池容量隨著漸進式循環而線性衰減。如果這是真的,那么在14000次循環后,在75%–25%SoC(藍色)內循環的鋰離子電池將衰減至74%的容量。如果在相同的放電深度下將電池充電至85%(綠色),則在14000次循環時容量將下降至64%,而在具有相同DoD的情況下充電100%(黑色),容量將下降至48%。由于未知原因,現實生活中的期望值往往低于模擬模型。

      通過外推法預測電池壽命

      圖8:通過外推法預測電池壽命。

      鋰離子電池可充電至三種不同的SoC級別,并模擬了循環壽命。限制充電范圍可延長電池壽命,但會降低傳遞的能量。這反映出重量增加和較高的初始成本。

      經許可使用。由OriginLab進行內插/外推。

      電池制造商通常會指定80 DoD的電池的循環壽命。這是實用的,因為在正常使用下,電池在充電之前應保留一些儲備。DST(動態壓力測試)的周期計數因電池類型,充電時間,加載規程和工作溫度而異。實驗室測試通常會獲得在現場無法獲得的數字。 

      鋰離子電池的壽命取決于環境條件,而不是單獨循環。最壞的情況是將充滿電的電池保持在高溫下。電池組不會突然消失,但是隨著容量的減少,運行時間會逐漸縮短。

      較低的充電電壓可延長鋰離子電池壽命,電動汽車和衛星都可以利用這一點。也可以為消費類設備制定類似的規定,但是很少提供這些規定。有計劃的過時將解決此問題。

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