动力电池老化怎么办

2018-12-21      733 次浏览

锂电池的循环寿命,一直是电动汽车买家最关心的参数之一。锂电池是怎样变老的?


老化总是与失效连在一起出现,但确切的说,老化和失效是两个概念。老化,是指动力电池性能参数随着时间的推移变差,是量变过程,参数主要指电池最大可用容量、内阻和功率。失效,是电池完全失去工作能力的过程,时间上相对短暂,是质变。老化的积累是失效的一个重要原因。


1影响老化的因素


动力电池最佳工作温度是15℃-35℃,但在日常应用中,不可能完全满足电池的需要,因此,最常见的影响电池老化的场景就是高温,低温。


除了环境以外,电池工作参数,也会对老化起到加速或者减速的作用,因此电芯充放电参数的选择影响显著。


在以上列举的外部因素作用下,电池电极材料等在电化学反应过程中,发生正常充放电以外的副反应,导致老化的发生。


2典型老化过程


老化过程中,具体都会发生哪些细节过程,跟正负极材料,电解液和隔膜的选择有密切关系,本文解说大略的老化过程,暂时不针对具体材料做详细解释。


2.1高温老化


50℃至60℃,是一般锂电池能够允许的工作温度范围上限。在较高温度下进行电化学反应,电解液活性较强,容易发生分解反应,分解产物与正极材料结合,是对正极材料的消耗;正极结构材料遭到腐蚀,晶格结构由于缺少足够材料的支撑发生坍塌,锂离子的空位减少,正极容纳锂离子的能力下降,使得电池容量遭受损失;


同时,正极材料反映的产物,游荡在电解液中,可能附着在正负极电极的表面。电极表面被不能参与充放电过程的物质覆盖,阻碍了电化学过程的顺利发生,电芯内阻增加。


高温过程对老化的影响,主要在正极发生,对负极的影响占比较小。


2.2低温老化


环境温度达到0℃以下,锂电池的性能开始受到低温的明显影响。SIE膜,是电芯化成过程中,负极材料与电解液之间反应生成的一层钝化膜,对负极材料具有保护作用。


在低温工作过程中,SEI膜生长,消耗部分电解液中的活性锂离子,使得电解液中导电离子的浓度降低,电池可用容量遭到永久性损失。SEI膜的增厚,使得锂离子穿过膜层到达负极的困难增加,与导电锂离子的浓度降低问题叠加在一起,电芯内阻随之增大。


低温下充电,尤其是充电电流比较大时,负极还会发生另外一个副反应——锂单质析出。低温下,锂离子活性下降,勉强充电,使得过量的锂离子聚集在负极周围,来不及穿过SEI膜到达负极嵌入,就沉积在负极表面,形成纯锂层。这个过程在过低温度的充电过程中容易发生,并且不可逆转。随着使用循环的累积,锂单质也会持续积累,枝晶不断生长,使得刺破隔膜的风险也在不断累加。


锂电池低温工作,老化问题主要发生在负极,正极的副反应也存在,但影响不显著。


2.3大电流充放电


以超过设计放电能力的电流放电,一方面,电流的热效应,带来电池自身温度的上升,高温老化的副反应逐渐加剧;另一方面,大电流带来了过量的锂离子需要嵌入正极材料,对材料的稳定性造成冲击。


大电流放电,同样存在发热问题和正极材料脱嵌稳定性问题。同时,过多的锂离子运送到负极,超过负极的能力,使得锂单质的沉积现象发生。不仅会损失容量,长期使用的热失控风险上升,危害更严重。


2.4过压欠压充放


过压充电和欠压放电,都会带来正极材料的相变问题,使得容纳锂离子空位减少,电芯最大可用容量受到影响。


2.5自放电


电芯的自放电随时随地都在发生,当温度较高,荷电量较高时,自放电过程更加显著。自放电过程,会带来电池可逆容量和不可逆容量的共同损失。自放电的产物,附着在电极表面,堵塞锂离子通道,减少锂离子嵌入位置,进而带来电芯永久容量损失。


3模组的老化


锂电池通过串联、并联组成模组,模组的老化直接受到单体电芯老化的影响。加之,电芯老化的同时,带来电芯之间一致性的恶化,使得模组的老化会在电芯老化的基础上,老化程度有所放大。


除了受到电芯老化的影响,模组还会因为振动和导电件氧化腐蚀等因素的影响,加深老化程度。模组内部电芯与汇流铜排之间,铜排与模组接线端子之间通过焊接或者螺钉连接保持紧密接触,保证电阻在合理范围。而振动和氧化带来的连接电阻的增加,使得模组内部电阻的分布情形发生了变化。这些变化可能影响电芯电压的检测结果,进而影响电芯的充放电和均衡过程。


恶劣的环境和超负荷的工作参数,使得老化过程更加显著,研究者更易于观察。实际上,老化过程一直在无声无息的进行着。电芯有两个寿命,日历寿命和循环寿命。从日历寿命这个名字就可以感受到,老化的不眠不休。因此,对电芯老化影响因素的研究,只是在设法降低违规操作带来的加速老化。

相关文章

推荐品类

为您推荐