鋰離子動(dòng)力電池單體并不能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求，因此電動(dòng)汽車必須采用多塊電池進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)成的動(dòng)力電池組來(lái)提供電動(dòng)汽車使用能量。從目前的鋰離子動(dòng)力電池單體制造工藝水平來(lái)看，生產(chǎn)過(guò)程中的各種因素影響使得同一型號(hào)的單體電池也會(huì)在電壓、容量、內(nèi)阻等方面產(chǎn)生偏差。動(dòng)力電池組的性能決定于電池單體的性能，但絕不是單體電池性能的簡(jiǎn)單累加。由于單體電池性能不一致性的存在，使得動(dòng)力電池組在電動(dòng)汽車上進(jìn)行反復(fù)使用時(shí)，動(dòng)力電池組產(chǎn)生各種問(wèn)題從而導(dǎo)致使用壽命縮短。

 

受限于目前的鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展瓶頸，對(duì)動(dòng)力電池使用壽命的影響因素進(jìn)行研究，并解決相關(guān)問(wèn)題用以延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命顯得十分重要。這將有助于鋰離子動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車的發(fā)展，提高鋰離子動(dòng)力電池的使用效率。

動(dòng)力電池單體使用壽命的影響因素

 

針對(duì)在電動(dòng)汽車上使用的動(dòng)力電池使用壽命終了，定義是電池的衰減量達(dá)到初始容量的20%。動(dòng)力電池的使用壽命在電動(dòng)汽車上反復(fù)充放電時(shí)，會(huì)由于鋰離子電池內(nèi)部的副反應(yīng)不斷發(fā)生使得電池本體材料性質(zhì)而發(fā)生衰退。這種衰退是由于以下幾個(gè)方面產(chǎn)生：電極材料晶格結(jié)構(gòu)的改變;電極材料發(fā)生分解、剝落或腐蝕造成活性材料減少;電解液分解消耗引起的導(dǎo)電性下降和阻抗增加;由于負(fù)極析鋰或副反應(yīng)造成可脫嵌的鋰離子被消耗;副反應(yīng)生成的氣體、不溶物質(zhì)以及粘結(jié)劑改性和集流體腐蝕引起的阻抗增加。

 

從實(shí)際使用環(huán)境條件來(lái)看，影響動(dòng)力電池單體使用壽命的因素主要包括充放電截止電壓、充放電倍率、使用溫度以及擱置條件。

 

已經(jīng)有很多資料文獻(xiàn)表明在一定范圍內(nèi)，不同充電截止電壓的循環(huán)壽命分別隨充電電壓越高而越短。這說(shuō)明充電截止電壓對(duì)電池使用壽命的影響非常大。高的充電截止電壓會(huì)加劇電池副反應(yīng)的發(fā)生導(dǎo)致電池使用壽命縮短。動(dòng)力電池在整車上使用時(shí)，由于電動(dòng)汽車的各種行駛狀況使得電池易出現(xiàn)衰退而在較高電位區(qū)域充放電時(shí)性能下降較嚴(yán)重。

 

動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車的使用過(guò)程中為滿足不同的駕駛工況從而采用不同的充放電倍率。對(duì)動(dòng)力電池倍率充放電的研究表明大倍率充放電會(huì)加速電池容量的衰減，充放電倍率越大，電池容量衰減越快。這主要是由于正極材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變以及負(fù)極表面膜增厚導(dǎo)致鋰離子擴(kuò)散困難造成的。如果充放電倍率過(guò)大的話，還有可能造成單體電池過(guò)熱、短路引起爆炸等。

 

不同的動(dòng)力電池有不同的最佳使用溫度，過(guò)高或過(guò)低的溫度都會(huì)對(duì)電池的使用壽命產(chǎn)生影響。隨著溫度的降低，鋰離子動(dòng)力電池的放電容量會(huì)有所降低。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，引起電池內(nèi)阻迅速增大，導(dǎo)致電池在低溫時(shí)輸出性能變差。

 

動(dòng)力電池在擱置不使用的條件下，會(huì)由于電池本身的性質(zhì)發(fā)生自放電、正負(fù)極材料鈍化、電解液分解等情況。有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)極SEI性能不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致負(fù)極活性材料快速衰退，并

 

容易產(chǎn)生鋰金屬析出，而形成穩(wěn)定SEI膜的鋰電池可以在高溫條件下儲(chǔ)存超過(guò)4年，同時(shí)不同的電解液組份對(duì)電極材料的衰退影響程度不同。

 

 

電池單體的不一致性主要是在制造過(guò)程中產(chǎn)生，由于工藝水平使電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差別。這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的不一致性就會(huì)使同一批次出廠的同一型號(hào)電池的電壓、容量、內(nèi)阻等不可能完全一致。單體電池的不一致性對(duì)動(dòng)力電池組使用壽命的影響分為電壓的不一致性、容量的不一致性以及內(nèi)阻的不一致性。

 

在單體電池成組的過(guò)程中，如果電壓的不一致性較大，會(huì)造成低壓電池與正常電池一起使用時(shí)成為電池組的負(fù)載。因?yàn)楫?dāng)并聯(lián)的兩節(jié)電池中存在低壓電池，那么會(huì)發(fā)生互充電現(xiàn)象，其他電池將會(huì)給該電池充電。這種連接方式會(huì)使得低壓電池的容量小幅度增加而高壓電池容量大幅度減少，能量損耗在互充電上達(dá)不到理想的對(duì)外輸出。

 

初始容量不一致在電池成組前經(jīng)過(guò)篩選已經(jīng)大大減小，在使用過(guò)程盡管可以通過(guò)電池單體單獨(dú)充電方式來(lái)平衡單體電池初始容量的不同。但電動(dòng)汽車的連續(xù)充放電循環(huán)過(guò)程使得這種不一致性在某種程度上會(huì)放大，容量隨循環(huán)的衰減速度不同，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，容量的差異就會(huì)越來(lái)越大。這樣會(huì)使得單體電池的容量加劇衰減帶動(dòng)整個(gè)電池組的容量衰減。

 

內(nèi)阻的不一致性使得單體電池在電池組內(nèi)的電壓電流分配不均，局部出現(xiàn)過(guò)壓充電或欠壓放電。內(nèi)阻的不一致性還會(huì)使單體電池在放電過(guò)程中熱量的損失不等，內(nèi)阻越大則溫度升高的速度越快，有可能最終造成熱失控。

 

電壓、容量、內(nèi)阻等各類不一致性導(dǎo)致電池單體壽命與電池組壽命出現(xiàn)差異，主要表現(xiàn)在溫度差異、充放電倍率差異、放電深度差異和可用容量差異上。比如放電深度的差異，由于電池單體初始容量的差異，大部分電池還處于淺放電的狀況下，低容量的電池單體已經(jīng)深度放電。

 

 

影響動(dòng)力電池組壽命的因素較多且相互作用，致使電池組性能容易出現(xiàn)比較嚴(yán)重的衰退，尤其在高溫低溫或過(guò)充放電這類條件下并缺乏有效的管理和控制時(shí)，電池組的性能將進(jìn)一步衰退。另外，大量單體電池的串聯(lián)與并聯(lián)使得容量和性能較差的某個(gè)單體限制了整個(gè)電池組的性能，進(jìn)而限制了電池組的充分使用。