聚合物鋰離子電池放電容量影響因素解析
聚合物鋰離子電池放電容量影響因素解析。聚合物鋰離子電池的頻繁使用以及充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池容量將會不斷衰減，當(dāng)容量衰減至額定容量的75%~80%時，則認(rèn)為鋰離子電池進(jìn)入失效狀態(tài)。放電倍率、電池溫升、環(huán)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(zhǔn)則，將放電倍率、電池放電溫升、環(huán)境溫度依次作為變量和定量進(jìn)行循環(huán)實驗，分析不同正極材料下，放電倍率、電池放電溫升、環(huán)境溫度以及循環(huán)次數(shù)對鋰離子電池放電容量的影響。
一、電池基本實驗方案
正、負(fù)極材料不同，循環(huán)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(yōu)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(biāo)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(guī)則進(jìn)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。
二、放電倍率對放電容量的影響
固定溫度和充放電規(guī)則，將LFP電池和NMC電池按照不同放電倍率進(jìn)行恒流放電。調(diào)整溫度分別為：35、25、10、5、－5、－15℃。
由圖1可知，相同溫度下，通過增加放電倍率，LFP電池放電容量整體呈現(xiàn)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(dāng)溫度降到0 ℃以下時，放電容量衰減嚴(yán)重并出現(xiàn)容量不可逆現(xiàn)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(huán)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(xiàn)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(xù)出現(xiàn)放電容量衰減現(xiàn)象，究其原因是由于極化嚴(yán)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(fù)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(xiàn)不同程度的回升跡象。由于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，電池本身的溫度會隨放電倍率的增加而顯著升高，Li+熱運動能力加強(qiáng)、擴(kuò)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(dǎo)致了電池的不單調(diào)現(xiàn)象。
三、電池溫升對放電容量的影響
NMC電池在30℃下分別進(jìn)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(guān)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(jìn)行分析可知，溫度升高主要在放電初期和后期。
四、環(huán)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對比可看出，當(dāng)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(fù)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(wěn)定性良好，僅在低溫下表現(xiàn)出較差的耐受性，電池容量出現(xiàn)不可逆的衰減；而NMC電池對溫度變化敏感。
五、循環(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)的增加，放電容量開始呈現(xiàn)衰減。
將1600mAh的LFP電池以充電0.5C放電0.5C進(jìn)行充放電循環(huán)實驗，共進(jìn)行600次循環(huán)實驗，以電池容量的80%作為電池失效判別標(biāo)準(zhǔn)。以100 為間隔次數(shù)對放電容量及容量衰減相對誤差的百分比進(jìn)行分析，如圖5所示。
將2000mAh的NMC電池以充電1.0C放電1.0C進(jìn)行充放電循環(huán)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(shù)對放電容量以及容量衰減相對誤差的百分比進(jìn)行分析，如圖6所示。
LFP電池和NMC電池在循環(huán)次數(shù)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(huán)后，放電容量衰減嚴(yán)重。LFP電池循環(huán)壽命長，理論壽命是1 000 次；NMC電池理論壽命是300 次。經(jīng)歷相同的循環(huán)次數(shù)，NMC電池容量衰減速度較快；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為600 時，NMC電池容量衰減接近失效閾值位置。
六、結(jié)論
通過對鋰離子電池進(jìn)行充放電實驗，以正極材料、放電倍率、電池溫升、環(huán)境溫度和循環(huán)次數(shù)五個參數(shù)作為變量，分析了容量相關(guān)特性與不同影響因素之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：
①在電池額定溫度范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)母邷貙i+的脫嵌和嵌入有促進(jìn)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(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)越明顯。
②LFP電池在充放電過程中對高溫、放電倍率表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性；對低溫有較差的耐受性，放電容量衰減嚴(yán)重，升溫后不可恢復(fù)。
③在相同的充放電循環(huán)次數(shù)下，LFP電池循環(huán)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(xiàn)不單調(diào)性且溫升變化顯著。
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