淺析動力鋰電池循環壽命老化的方法研究

深圳職業技術學院汽車與交通學院 于 湛 張 凱

1 前言

動力鋰電池作為新能源汽車的核心部件，廣泛應用于新能源汽車領域，如特斯拉model S、model X和model 3、新一代的豐田Prius、雪弗萊Volt、日產Leaf以及比亞迪E6均采用動力鋰電池。然而，動力鋰電池成本高、使用壽命短，嚴重影響了電動汽車的市場推廣。雖然動力鋰電池的理論使用壽命可達20年之久，但是當電池容量下降到80%以下時，由于單次充電難以滿足新能源車續航里程要求而被掏汰，實際用于電動汽車中的使用壽命僅有3-5年。不僅如此，動力鋰電池在實際使用過程中，多種因子（溫度、充放電倍率、充放電深度等）綜合作用，加速了電池充放電循環次數的減少和電池材料循環的衰減；而電池性能退化的復雜多因素影響，難以根據簡單的模型、曲線進行預判。但是電池性能的退化往往需要提前預測，以此決定是否更換或維修電池，制定相關策略，以避免安全事故的發生。同時動力鋰電池循環壽命衰減源自于動力鋰電池內部電化學系統復雜的相互作用，這些作用由一些外部因素所觸發或加速，彼此關聯且互為激勵。因此通過實驗方法研究動力電池壽命具有重要意義。

針對上述研究背景，本文淺析了動力鋰電池的老化研究方法和發展方向。

2 老化機理分析

動力鋰電池具有諸多優良特性,例如高的能量密度，較高的電壓和電流輸出,低的自放電率,因而在新能源汽車上得到了廣泛的應用。由于動力鋰電池是一個非常復雜的體系,其壽命老化過程更加復雜.容量的衰減和功率的衰退受到多種因素耦合作用。通過鋰電池的結構，我們可以分為以下幾個方面探討。

2.1 陽極材料

碳材料特別是石墨,是鋰電池最重要的陽極材料,隨著使用和時間的推移,石墨陽極的老化會改變陰極的電極特性；在貯存中發生的老化效應以及在使用中發生的老化效應都會影響到電池的循環壽命。

2.2 陰極材料

鋰金屬氧化作為鋰電池的陰極，由于在循環使用過程中，發生相變和結構改變，會導致電池容量衰減；一般鋰電池使用強堿電解液，會溶解部分鋰金屬氧化物，產生可溶性物質遷移，新的結晶相生成和氣體的產生，促使電池阻抗升高，減少外電路電壓輸出，導致鋰電池的循環壽命老化。

另外，電池的壽命老化有著復雜的多種機理：材料的使用，貯存的環境和循環使用條件都會影響到電池的循環壽命和性能。

3 方法研究

現有壽命老化機理研究方法，如電化學分析法、安時法、阻抗法在原理上都可以應用于電池循環壽命衰減的研究。

電化學分析法：從電池內部物理化學過程的角度描述電池的動力學參數、傳質過程、熱力學特性參數、材料的機械、熱、電特性等參數的變化規律，分析電池的運行機理并建立電池的退化模型。

安時法：在電池的全壽命周期對電池進行各種加速試驗，如溫度加速、放電速率、放電深度加速等，即按照一定放電速率 ( 廠家規定或行業內標準) 定期對電池容量進行測試，估計電池容量的退化模型。

但是，它們均存在一些局限性：電化學分析法可以給出電池循環衰減過程的詳細解釋，但該方法是破壞性、侵入式的方法，不適用于工程應用；安時法方法簡單，便于實現，但電池的充放電試驗環境及試驗條件很難覆蓋實際應用的復雜環境和工況，且測試時間長。綜上所述，面向實際應用，能夠準確體現在復雜的使用環境和工作模式下動力鋰電池的循環壽命衰減機理研究方法是未來需要重點關注和發展的方向[1-3]。

4 新方法的探討

4.1 動力鋰電池老化機理與影響因素研究

針對動力鋰電池老化的物理化學過程，解析電池性能退化的模式與機理，研究導致及影響老化發生、發展的主要因子及其耦合作用（如溫度、充放電倍率、充放電深度等因素），探索表征、識別其老化狀態的主要參數（如電化學阻抗譜、電池容量、充放電循環次數等），以此作為后續動力鋰電池加速老化試驗、剩余壽命預測等研究工作的研究基礎與輸入條件。

4.2 考慮多因子耦合作用的加速老化試驗方法設計

以研究內容（1）的研究結果為依據，從單因子、多因子耦合作用等方面入手，研究電池加速老化試驗設計方法，以此獲取多因子耦合作用下的電池壽命參數數據，具體包括：

1)單因子影響下的加速老化試驗方法設計：基于DOE（Design of Experiment）、ADT優化算法，分別針對溫度、振動、充放電倍率，放電深度等加速因子，研究加速模型構建方法，設計相應的加速老化試驗方案；

2)多因子耦合作用下的加速老化試驗方法設計：針對上述加速因子，提出考慮它們同時作用時的加速老化試驗優化設計方法，研究多因子耦合作用的加速模型構建方法，給出相應的加速老化試驗方案。

在上述內容的基礎上，基于三綜合試驗箱、電化學工作站、充放電試驗臺等試驗設施，搭建動力電池多因子耦合作用加速老化試驗實施與測試環境，開展試驗工作并獲取相應的壽命參數數據。

5 結論

通過動力鋰電池循環壽命老化方法的分析與研究，我們可以得出以下結論，并可以指導今后試驗研究的開展：

1)電化學分析法、安時法作為已有的研究方法存在一定的局限性：面向實際應用，能夠準確體現在復雜的使用環境和工作模式下動力鋰電池的循環壽命衰減機理研究方法是未來需要重點關注和發展的方向。

2)多因子耦合作用的加速老化試驗方法可以模擬動力電池實際使用環境中的情況，較真實的提供試驗數據，對今后的老化研究和壽命分析奠定基礎。