锂电池寿命的讲解

2022-06-01      2315 次浏览

国标规定的锂离子电池循环寿命测试条件及要求:在环境温度20℃±5℃的条件下,以1C充电,当电池端电压达到充电限制电压4.2V时,改为恒压充电,直到充电电流小于或等于1/20C,停止充电,搁置0.5h~1h,然后以1C电流放电至终止电压2.75V,放电结束后,搁置0.5h~1h,再进行下一个充放电循环,直至持续两次放电时间小于36min,则认为寿命终止,循环次数必须大于300次。


从国标的含义上看,我们提炼出两点:


1、这个含义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的;?


2、锂离子电池的循环寿命按照这个模式,经过≥300次循环后容量仍然有60%以上可用容量。


2影响锂离子电池寿命的因素


1.锂离子电池寿命有关的因素


根据电池大学认为,影响锂离子电池寿命的重要因素有以下:


1)充电次数;


2)放电深度;


3)充电截止电压;


4)充电速度;


5)使用温度;


2.充电次数对寿命的影响


很多消费者甚至是部分工程师认为,很多锂离子电池规格书上标注的寿命估算:充电次数300次左右,以为是只要插入充电器一次,就算一次充电,这样估算的话,假如消费者一天插入充电器2次,电池寿命就只有半年不到了。由于很多人认识电池还是停留在镍氢电池和镍镉电池上,由于该类型的电池是具备记忆效应,但是锂离子电池没有记忆效应,电池大学认为,锂离子电池的一次完整循环应该这样描述:锂离子电池以1C(充电最大电流)的电流充电到额定电压4.2V,并且以0.05C充电电流涓流充电至电池饱和,然后再以1C的放电速度放电到3V,此过程为一次完整的充放电循环。没有充满没有放完都不算一次完整的充放电循环。假如你的电池从满电状态,用了十分之一的电量,然后又充满了,这是十分之一个循环,这样充10次,才基本算一个循环。一般的锂离子电池的寿命的循环次数是300~500次(此时电池并没有完全损坏,只是容量只有初始容量的60%~70%)。


很多消费者甚至是部分工程师认为,锂离子电池充电次数过多是有损电池的,所以使用过程中,都是满充满放,等到电池容量接近0再充电,充电截止电压设置为最高的阈值电压4.2V。电池大学却认为,锂离子电池放电深度越低越好,如下图2,举个例子,1AH的LiPO4电池,100%DoD时,循环次数约600次,寿命内供应的容量J=1AH*600=600AH,假如以40%的DoD深度放电,可以循环3000次,寿命内供应的容量J=1AH*0.4*3000=1200AH,比100%放电深度提高了50%的寿命。丰田的双擎混动汽车,电池供应8年16万公里的质保,对外宣传就是:浅充浅放,寿命更长。


4.充电电压对寿命的影响


电池大学认为,充电截止电压对电池的寿命影响是关键性的,锂离子电池在4.2V以下,有两个重要的准则:


1、充电截止电压在4.2V以下,每降低0.1V,可充电的循环次数就会提高一倍。


2、充满电压每下降70mV,电池的可用容量就会降低10%。


电动汽车,卫星中的锂离子电池还必须具有8年以上的使用寿命。为实现此目的,电池仅被充电至3.90V/电池或更低。NASA的一个有趣发现是,驻留在4.10V/电池以上的锂离子由于阴极上的电解质氧化而趋于分解,而充电至较低电压的锂离子则由于SEI在阳极上积聚而失去容量。美国国家特种航天局(NASA)报告说,一旦锂离子在卫星中传递了大约40,000个周期之后,它通过了8年大关,则由这种现象引起的电池质量恶化很快就会发展。充电至3.92V/电池似乎可以最大程度地延长使用寿命,但这只能使容量降低约60%。瑞典查尔默斯科技大学报告说,使用降低的50%SOC(state-of-charge充电方式)充电量可使汽车锂离子电池的预期寿命提高44–130%。


大多数用于手机,笔记本电脑,平板电脑和数码相机的设计者将将锂离子电池充电至4.20V。这是运行的极限阈值。因为消费电子更新周期一般是3年,使用者希望的是更长的续航时间,很多山寨品牌就是为了追求榨干所有的容量,将充电电压提高到4.3V甚至更高。另一方面,工业界更关注寿命,并可能选择较低的电压阈值,充电阈值由各个厂家自行设定,并没有统一的标准。


5.充电速度如何影响寿命


电池大学认为,锂离子电池充电速度(充电电流)对锂离子电池的寿命有关键的影响,充电速度越快,电池的寿命越短。下图5是900mAH锂离子电池作为比较实验,C:电池表示的容量数值。例如,2600mAh的锂充电电池,1C=2.6A;3400mAh的锂充电电池1C=3.4A。由实验结果可知,1C的充电速度,500个循环后剩余满容量为800mAH,减少100mAH,容量下降约11%。假如以2C的充电速度充电,500个循环后剩余满容量为500mAH,减少400mAH,容量下降约44%。现在的手机厂商都在追求充电速度,却是牺牲电池寿命为代价,好在消费电子更新频率足够高。


6.温度对寿命的影响?


电池大学认为,锂离子电池的工作温度对电池寿命有很大的影响,实验显示,锂离子电池经历过100次的循环充放电,在20℃时,NCM材质锂离子电池的容量只下降到97.7,而温度升高到60℃,电池的容量下降到只有60%左右。所以要尽可能让电池维持在常温的状态。

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