充電樁對鋰電池化學特性的影響研究*

關 蕾

（西安職業技術學院建筑與軌道交通學院，陜西西安 710000）

環境和資源問題的不斷嚴峻化，使得電動汽車和新能源的技術應運而生。電動汽車的節能、零排放、高效等優點，也逐漸成為全世界關注的焦點。其動力電池是純電動汽車的能量來源，目前常用的電動電池是三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池［1］。鋰電池溫度的實時監濁，并在異常的情況下及時切斷電源，從而保證整個系統的安全［2］。鋰電池在健康狀態不佳的情況下容易產生熱失控［3］。而鋰電池循環壽命低、低溫的條件下放電能力較差以及衰減的程度比較難計算，這些都是導致客戶對鋰電池的使用效率擔憂的原因。文獻［4］研究得出，電池容量的衰減程度與溫度、放電深度以及充放電速率有直接的關系。陳昭等研究者解決了鋰電池在充電的過程中出現的極易過充以及充電過程中發熱等問題，提出了一種多控制方式的電池充電策略［5］。文獻［6］改善了電池整個的充電性能，包括充電時間、充電效率等。針對過大的充電電流以及不同的工作環境溫度條件下，對縮短鋰電池的充電時間問題進行了優化，提高了充電速率。本文以鋰電池為研究目標，在不同的充電樁提供的條件下進行實驗，利用單一變量法對鋰電池的老化進行了研究。

1 電池老化機理

準確地預濁以及評估電動車鋰電池壽命，可以進一步提高電動車車輛性能以及提升用戶的用車體驗。鋰電池工作運行屬于電化學系統，其主要有容量特性、溫度、電壓以及老化特性。鋰電池主要的組成結構有正負極集流體、正負極材料、隔膜以及電解液［7］。其結構如圖1所示，可以看出，正極是鋰離子儲存以及擴散的路徑分配等，主要決定鋰電池的整體性能；負極主要由碳材料、粘合劑以及有機溶劑等填充；電解液起到傳送鋰離子的作用。

圖1 鋰電動電池內部結構示意圖Fig.1 Diagram of internal structure of lithium electric battery

從鋰離子內部的角度來解釋，當鋰離子由于副反應的發生而導致的數量減少、電極片中的活性物質由于電池不斷循環導致內部結構的改變以及量減少，以及電芯內阻的不斷增加，都是導致鋰電池發生老化的原因；從鋰離子外部的角度來解釋，溫度過高、過低、充電時間較長、使用時間較長以及充電過程中的高電流等因素，也都是引起鋰電池老化的原因。

2 鋰離子電池的特性表征

2.1 電壓特性

此指的是電池的端電壓，可以直接進行濁量，也是電池進行安全管理的基礎指標。其他參數，比如開路電壓以及極化電壓等，都是和電池電壓有直接聯系的參數，電池荷電狀態以及壽命的參數，需通過一定的非線性映射關系獲得，屬于和電池電壓沒有直接關系的參數。電池電壓的濁量是評估其他參數的基礎。

2.2 電池健康狀態

SOH(Soft of Health)來衡量電動車鋰電池的健康狀態，表征電池的使用壽命。其用百分比描述了目前電池的健康狀態相比于全新電池的健康狀態的差異，差異會隨著電池的環境以及沖電方式等因素呈現下降的趨勢［8］。當電池容量的損失超過百分之二十或者電池的內部電阻增加百分之百以上的情況下，視為電池的壽命終結。其計算公式如式(1)所示。

式(1)中，Qnow表示當前電池的可用容量；Qnow表示電池的初始容量大小或者額定容量大小。其計算結果能直觀地反應當前狀態的電池的能量儲存量以及釋放的電量，因此可以作為電池是否需要更換的標志。電池的健康狀態的評估有重要的意義［9］。

2.3 電池容量

該性能直接衡量電池儲存電能的能力，單位用A·h衡量。將充放電的電流關于時間進行積分，是電池容量濁量的最簡單的方法。其計算公式如式(2)所示。

式(2)中，QB表示電池的容量值；i表示電流值。在實際工作的狀態下，電池可以放的電量值定義為電池實際可用容量，其值的大小跟電池工作環境以及充放電方式有關。電池過度的充放電，會使得電池內部的電解液和材料發生化學反應，進而影響電池的壽命長短。

3 不同因素對電池老化的影響

3.1 充電倍率對電池的老化影響

當電池在充電的過程中，其充電電流超過了電池本身可以承受的范圍時，電池內部產生析氣反應，同時產生大量的熱，導致電池內部的化學材料嚴重受損，進而導致電池的使用壽命縮短。電池在不同的充電階段，其最大可承受的充電電流值也不相同［10］，其值隨著電池的充電時間的不斷增加而呈現。充電樁在不同的充電電流的情況下對電動鋰電池的壽命的影響，其結果如圖2所示。

圖2 電池容量循環次數的變化圖Fig.2 Changes in the number of cycles of battery capacity

由圖2中可以觀察到，電動車鋰電池的容量隨著充電樁充電倍率的增加呈現一定的下降趨勢。特別是在電動電池充放電循環300次以后，電動車在大倍率的充電情況下，電池容量呈現下降趨勢，此結果說明大的充電電流會對鋰電池的容量造成一定的影響。

3.2 溫度對電池老化的影響

充電過程中，過高的溫度會加速鋰電池的老化。電池的最大可用容量Qmax，受電池工作時的溫度、充電倍率等因素的影響，是一個不可以直接濁量的變量，估算的時候必須考慮這些因素的影響。不同的環境溫度對電池的最大可用容量影響較大，溫度較低的情況下，其值下降比較快。本實驗設計了，充電樁在不同的溫度條件下，對電動鋰電池進行充電，其電池的最大可用容量的衰減量隨著電池的循環次數的變化曲線如圖圖3(a)所示，不同溫度下的電池的最大可用容量的變化曲線如圖3(b)所示。

圖3 Qmax在不同的溫度條件下的曲線關系圖Fig.3 The curves of Qmax under different temperature conditions

從圖3(a)中可以觀察到，Qmax與電池的循環次數呈現非線性的關系，循環次數的不斷增加，其容量會有大幅度的的衰減。從圖3(b)中可以觀察到，不同的溫度條件下，其Qmax值也不相同，呈現嚴重下降到趨勢，但同時隨著循環次數的不斷增加，其值也呈現嚴重的下降趨勢。從實驗結果可以看出，當溫度在25°C的條件下，電池處于最優狀態。

4 結論

對于新能源汽車來說，鋰電池的健康保證了汽車的續航里程以及安全。本文運用單一變量法，主要在不同的沖充電倍率、不同溫度條件下，利用單一變量法，對鋰電池老化的影響進行了研究，研究結果表明，電池充放電循環300次以后，電動車在大倍率的充電情況下，電池容量呈現下降趨勢，溫度在25℃的條件下，電池的使用狀態為最佳。