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干货分享 | 锂离子电池循环寿命影响因素分析

发布时间:2023-09-15
       锂离子电池由于其能量密度高、无记忆效应、自放电小且循环寿命长而在各个领域得到广泛使用,如电子产品、电动工具、电动汽车以及储能领域等。电池的性能总体可分为电性能和可靠性两大类,寿命是衡量其电性能的重要指标之一。锂离子电池的充放电循环过程是一个复杂的物理化学反应过程,影响锂离子电池循环寿命的因素有很多,本文将对此进行讨论。
1锂离子电池结构及原理

       锂离子电池主要由正负极材料、电解液、隔膜、集流体和电池外壳等组成。正极和负极材料由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。

       充电时,锂离子从正极脱嵌,通过隔膜嵌入负极,放电时则相反。锂离子电池首次充放电过程中,负极与电解液的相界面上会形成一层钝化膜。

       它的作用包括:一,它是电子的绝缘体,能对锂离子正负极起到物理隔离的作用,防止正负极材料直接接触造成的电池内部短路。二,它又是锂离子的良导体,能允许锂离子的自由通过,并且能保持电解液,为锂离子电池的充放电过程形成畅通的离子通道。

2设计和制造工艺的影响
       ①材料特性       在成分方面,要注意正极材料和负极材料的添加量。一般来说,在设计和组装过程中,一般要求负极的容量要大于阴极的容量。

       如果不过量,充电过程中锂会从负极析出,形成锂枝晶,影响安全。如果负极超过正极太多,正极可能会过度脱锂,导致结构崩溃。

       正极和负极集流体的性能也会影响电池的容量和循环寿命。锂离子电池正极和负极常用的集流体材料分别是铝和铜,两者都是易腐蚀的金属材料。集流体被腐蚀后形成的钝化膜、附着力差、局部腐蚀(点蚀)和全面腐蚀都会增加电池的内阻,导致容量损失和放电效率降低。

       ②电解质

       电解液也是影响电池可逆容量的一个非常重要的因素。电极材料脱嵌锂离子的过程始终是与电解质相互作用的过程,这种相互作用对电极材料的界面条件和内部结构变化产生重要影响。 

       电解质在与正极和负极材料相互作用的过程中会损失。另外,电池在形成SEI膜并预充电时,也会消耗部分电解液。因此,电解液的类型和注液量也会影响电池的寿命。

       常见的电解液由溶剂、锂盐和各种添加剂组成。正极材料和负极材料脱嵌锂离子的过程总是与电解质相互作用,由于这种相互作用,界面上会发生复杂的氧化还原反应,甚至会产生气体或固体产物,从而耗尽电解质。

       气体会增加电池内部压力并导致电池变形,而固体产物会在电极表面形成钝化膜,导致电池极化增大,降低电池的输出电压。

       这些因素都会对电池的容量和安全性产生负面影响,并最终影响电池的循环寿命。

       ③制造流程

       锂离子电池的制造工艺主要包括:正负极配料、涂布、片材制作、卷绕、制壳、注液、密封、化学化成等。在电池生产过程中,对工艺每一步的要求非常高。严格的。任何一个控制不好的过程都可能影响锂离子电池的循环寿命性能。

3电池材料老化衰退的影响
       锂离子电池的充放电过程是锂离子通过电解液在正极材料和负极材料之间来回移动的过程。锂离子电池在循环过程中,除了正极和负极发生氧化还原反应外,还发生大量的副反应。       如果能够将锂离子电池的副反应降低到较低水平,使锂离子始终能通过电解液在正极和负极材料之间顺利来回,就可以提高锂离子电池的循环寿命。

       锂离子从正极到负极的运动必须穿过覆盖碳阳极的SEI膜。SEI膜的质量直接影响电池的循环寿命。SEI膜的稳定性对电池的稳定性有重要影响。SEI膜不稳定,容易析出金属锂,导致负极活性物质快速降解。

4电池使用环境的影响
       锂离子电池的使用环境对锂离子电池的循环寿命也非常重要,尤其是环境温度。环境温度过低或过高都会影响锂离子电池的循环寿命。低温下恒压充电时间增加,充电性能也明显恶化。       锂离子电池低温放电容量降低的主要原因包括:电解液导电性差、隔膜润湿或渗透性差、锂离子通过电极/电解液界面迁移缓慢等。此外,SEI 膜在低温下增加,减缓了锂离子通过电极/电解质界面的速度。

       SEI膜阻抗增加的原因是低温下锂离子更容易从负极逸出,但嵌入更困难。充电时,金属锂会出现并与电解液发生反应,形成新的SEI膜覆盖原来的SEI膜,增加电池的阻抗,导致电池容量下降。

       锂离子电池在高温下充放电循环不稳定。高温导致电池电极电化学极化加剧并产生气体,导致鼓包。同时,电荷转移阻力增大,离子转移动力学性能下降。

       此外,使用锂离子电池的设备在运输或正常操作过程中可能会受到振动、冲击和碰撞等条件的影响。有些锂电池一边充放电一边与系统通信,按照一定的频率接收数据信息。设备振动时的频率可能会干扰电池频率,导致芯片数据错误或触发保护电路动作。在强烈振动或冲击下,锂离子电池的极耳、外部连线、端子、焊点等可能会断裂或脱落,电池极片上的活性物质也可能剥落,从而影响锂离子电池的性能,电池循环寿命甚至造成严重损坏。

5充放电方式的影响
       锂离子电池包的使用过程即充放电循环的过程,充放电电流的大小、充放电截止电压的选择及采用何种充放电方式等充放电制度,对锂离子电池的循环寿命也有很重要的影响。凡盲目增大电池的工作电流、新增充电截止电压、降低放电截止电压等都会使锂离子电池包性能下降。       不同电化学体系的锂离子电池的充放电截止电压不同。在锂离子电池充电过程中凡超过充电截止电压就认为发生了过充电。锂离子电池过充时,从正极上脱出的过量的锂离子会沉积或嵌入到负极上,沉积的活性锂易与溶剂反应,放出热量使电池温度升高。当锂离子电池的放电电压低于放电截止电压时,就形成了过放电。

       在过放电的过程中,锂离子从负极上会过度脱出,下次充电时再嵌入会比较困难。锂离子电池在过放电以后的循环过程中放电容量、充放电效率大为降低。另外,锂离子电池极可能会在大电流条件下熔断,设备元件也可能会被损坏。

6CDY-C便携锂电池充电机

       锂离子电池充电一定要避免过充过放,目前,恒定电压充电法被广泛使用。锂离子电池组一般由大量的单体串联组成,由于每个单体制造工艺的差别,存在内阻、电压、容量和温度的不一致性,易造成充放电过程中的不均衡,即大容量单体浅放、小容量单体过放,这会对电池组造成严重损伤。

       CDY-C锂电池充电机,可实现对动力电池整个充电过程的智能化控制,具有功率因数高、谐波小、效率高、轻便便携等特点;具备全自动、恒压、恒流、涓流充,充满自动关断,带有多种扩展通讯接口(RS232、RS485、CAN、USB)。仪器带有电压电流校准功能,可对测量值进行校准修正,保证测量精度,操作简单、易学易懂易上手,为电池组提供更加安全可靠的充电机充电模式,延长锂电池的循环寿命,增加电池组可靠性且降低运行成本。

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