鋰電池自放電影響因素及測(cè)量方法
發(fā)布時(shí)間：2020/04/24 16:19:17 訪問(wèn)量：3323 次
鋰電池自放電影響因素及測(cè)量方法
前言：本文講述正極材料、負(fù)極材料、電解液和存儲(chǔ)環(huán)境等對(duì)鋰離子電池自放電率的影響。同時(shí)介紹了目前常用的傳統(tǒng)鋰電池自放電率的測(cè)量方法和新型自放電率快速測(cè)量方法。來(lái)自國(guó)軒高科工程師，歡迎大家交流分享！
鋰離子電池自放電反應(yīng)不可避免，其存在不僅導(dǎo)致電池本身容量的減少，還嚴(yán)重影響電池的配組及循環(huán)壽命。鋰離子電池的自放電率一般為每月2％～5％，可以完全滿(mǎn)足單體電池的使用要求。
然而，單體鋰電池一旦組裝成模塊后，因各個(gè)單體鋰電池的特性不是完全一致，故每次充放電后，各單體鋰電池的端電壓不可能達(dá)到完全一致 ，從而會(huì)在鋰電池模塊中出現(xiàn)過(guò)充或者過(guò)放的單體電池，單體鋰電池性能就會(huì)產(chǎn)生惡化。隨著充放電的次數(shù)增加，其惡化程度會(huì)進(jìn)一步加劇，循環(huán)壽命相比未配組的單體電池大幅下降。因此 ，對(duì)鋰離子電池的自放電率進(jìn)行深入研究是電池生產(chǎn)的迫切需要。
一、自放電的影響因素
電池的自放電現(xiàn)象是指電池處于開(kāi)路擱置時(shí)，其容量自發(fā)損耗的現(xiàn)象，也稱(chēng)為荷電保持能力。自放電一般可分為兩種 ：可逆自放電和不可逆自放電。損失容量能夠可逆得到補(bǔ)償?shù)臑榭赡孀苑烹?，其原理跟電池正常放電反?yīng)相似。損失容量無(wú)法得到補(bǔ)償?shù)?自放電為不可逆自放電，其主要原因是電池內(nèi)部發(fā)生了不可逆反應(yīng) ，包括正極與電解液反應(yīng)、負(fù)極與電解液反應(yīng)、電解液自帶雜質(zhì)引起的反應(yīng)，以及制成時(shí)所攜帶雜質(zhì)造成的微短路引起的不可逆反應(yīng)等。自放電的影響因素如下文所述。
1 正極材料
正極材料的影響主要是正極材料過(guò)渡金屬及雜質(zhì)在負(fù)極析出導(dǎo)致內(nèi)短路，從而增加鋰電池的自放電。Yah-Mei Teng等人研究了兩種LiFePO4正極材料的物理及電化學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)原材料中以及充放電過(guò)程中產(chǎn)生鐵雜質(zhì)含量高的電池其自放電率高，穩(wěn)定性差，原因是鐵在負(fù)極逐漸還原析出，刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)短路，從而造成較高的自放電。
2 負(fù)極材料
負(fù)極材料對(duì)自放電的影響主要是由于負(fù)極材料與電解液發(fā)生的不可逆反應(yīng)。早在2003年，Aurbach等人就提出了電解液被還原而釋放出氣體，使石墨部分表面暴露在電解液中。在充放電過(guò)程中，鋰離子嵌人和脫出時(shí)，石墨層狀結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，從而導(dǎo)致較大自放電率。
3 電解液
電解液的影響主要表現(xiàn)為 ：電解液或雜質(zhì)對(duì)負(fù)極表面的腐蝕；電極材料在電解液中的溶解；電極被電解液分解的不溶固體或氣體覆蓋，形成鈍化層等。目前，大量科研工作者致力于開(kāi)發(fā)新的添加劑來(lái)抑制電解液對(duì)自放電的影響。Jun Liu等人MCN111電池電解液中添加VEC等添加劑，發(fā)現(xiàn)電池高溫循環(huán)性能提高，自放電率普遍下降。其原因是這些添加劑可以改善SEI膜，從而保護(hù)電池負(fù)極。
4 存儲(chǔ)狀態(tài)
存儲(chǔ)狀態(tài)一般的影響因素為存儲(chǔ)溫度和電池SOC。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，SOC越高，電池的自放電越大。Takashi等在靜置條件下對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行容量衰減實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明隨溫度的升高，容量保持率隨擱置時(shí)間逐漸降低，電池自放電率升高。
劉云建等人采用商品化的錳酸鋰動(dòng)力電池，發(fā)現(xiàn)隨著電池荷電態(tài)的增加，正極的相對(duì)電位越來(lái)越高，其氧化性也越來(lái)越強(qiáng)；負(fù)極的相對(duì)電位越來(lái)越低，其還原性也越來(lái)越強(qiáng)，兩者均可加速M(fèi)n析出，導(dǎo)致自放電率增大。
5 其他因素
影響電池自放電率的因素眾多，除以上介紹的幾種外，主要還存在以下方面：在生產(chǎn)過(guò)程中，分切極片時(shí)產(chǎn)生的毛刺，由于生產(chǎn)環(huán)境問(wèn)題而在電池中引入的雜質(zhì)，如粉塵，極片上的金屬粉末等，這些均可能會(huì)造成電池的內(nèi)部微短路；外界環(huán)境潮濕、外接線路絕緣不徹底、電池外殼隔離性差等造成的電池存儲(chǔ)時(shí)有外接電子回路，從而導(dǎo)致自放電；長(zhǎng)時(shí)間的存放過(guò)程中，電極材料的活性物質(zhì)與集流體的粘結(jié)失效，導(dǎo)致活性物質(zhì)的脫落和剝離等導(dǎo)致容量降低，自放電增大。以上的每一個(gè)因素或者多個(gè)因素的組合均可造成鋰電池的 自放電行為 ，這對(duì)自放電原因查找及估測(cè)電池的存儲(chǔ)性能造成困難。
二、自放電率的測(cè)量方法
通過(guò)上述分析可知，由于鋰電池自放電率普遍較低。而自放電率本身又受溫度、使用循環(huán)次數(shù)以及SOC等因素的影響，因此對(duì)電池實(shí)現(xiàn)自放電的精確測(cè)量是非常困難且耗時(shí)的工作。
1 自放電率傳統(tǒng)測(cè)量方法
目前，傳統(tǒng)的自放電檢測(cè)方法有以下3種：
● 直接測(cè)量法
首先將被測(cè)電芯充電至一定荷電狀態(tài)，并維持一段時(shí)間的開(kāi)路擱置 ，然后對(duì)電芯進(jìn)行放電以確定電芯的容量損失 。自放電率為 ：
鋰電池自放電影響因素及測(cè)量方法
式中：C為電池的額定容量；C1為放電容量。開(kāi)路擱置后，對(duì)電芯放電可以獲得電芯的剩余容量。此時(shí)，再次對(duì)電芯進(jìn)行多次充放電循環(huán)操作，確定電蒜此時(shí)的滿(mǎn)容量。此方法可以確定電池不可逆容量損失與可逆容量損失。
● 開(kāi)路電壓衰減率測(cè)量法
開(kāi)路電壓與電池荷電狀態(tài)SOC有直接關(guān)系，只需要測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)電池的OCV的變化率，即：
鋰電池自放電影響因素及測(cè)量方法
該方法操作簡(jiǎn)單，只需記錄任意時(shí)問(wèn)段內(nèi)電池的電壓，進(jìn)而根據(jù)電壓與電池SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得出該時(shí)刻電池的荷電狀態(tài)。通過(guò)電壓的衰減斜率以及單位時(shí)間所對(duì)應(yīng)的衰減容量的計(jì)算，最終可得到電池的自放電率。
● 容量保持法
測(cè)量電池期望保持的開(kāi)路電壓或者SOC所需要的電量，得出電池的自放電率。即測(cè)量保持電池開(kāi)路電壓時(shí)的充電電流，電池自放電率可以認(rèn)為是測(cè)量得到的充電電流。
2 自放電率快速測(cè)量方法
由于傳統(tǒng)測(cè)量方法所需時(shí)間較長(zhǎng)，且測(cè)量精度不足，因此自放電率在電池檢測(cè)過(guò)程中大多情況下只是作為一種篩選電池是否合格的方法。大量新穎方便的測(cè)量新方法的出現(xiàn)，為電池自放電的測(cè)量節(jié)省了大量時(shí)間和精力。
● 數(shù)字控制技術(shù)
數(shù)字控制技術(shù)是利用單片機(jī)等，在傳統(tǒng)自放電測(cè)量方法的基礎(chǔ)上衍生出的新型自放電測(cè)量方法。該方法具有測(cè)量花費(fèi)時(shí)間短，精度高，設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
● 等效電路法
等效電路法是一種全新的自放電測(cè)量方法，該方法將電池模擬成一個(gè)等效電路，可快速有效地測(cè)量鋰離子電池的自放電率 。
三、測(cè)量自放電率的意義
自放電率作為鋰離子電池的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，對(duì)電池的篩選及配組具有重要影響，因此測(cè)量鋰電池的自放電率具有深遠(yuǎn)意義。
1 預(yù)測(cè)問(wèn)題電芯
同一批電芯，所用材料和制成控制基本相同，當(dāng)出現(xiàn)個(gè)別電池白放電明顯偏大時(shí) ，原因很可能是內(nèi)部由于雜質(zhì) 、毛刺刺穿隔膜而產(chǎn)生了嚴(yán)重的微短路。因?yàn)槲⒍搪穼?duì)電池的影響是緩慢的和不可逆的。所以，短期內(nèi)這類(lèi)電池的性能不會(huì)與正常電池相差太 多，但是長(zhǎng)期擱置后隨著內(nèi)部不可逆反應(yīng)的逐漸加深，電池的性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其出廠性能以及其他正常電池性能。因此為了保證出廠電池質(zhì)量，自放電大的電池必須剔除。
2 對(duì)電池進(jìn)行配組配組
鋰電池需要較好的一致性，包括容量、電壓、內(nèi)阻以及白放電率等。電池的自放電率對(duì)電池組的影響主要表現(xiàn)為：一旦組裝成模塊后，因各個(gè)單體鋰電池的自放電率不 同，在擱置或者循環(huán)過(guò)程中，電壓會(huì)出現(xiàn)不同程度下降，而在串聯(lián)充電下，其受電流又會(huì)相等，故每次充電后都可能會(huì)在鋰電池模塊中出現(xiàn)過(guò)充或者未充滿(mǎn)的單體電池 ，隨著充放電的次數(shù)增加，電池性能會(huì)逐漸惡化，循環(huán)壽命相比未配組的單體電池大幅下降。因此，電池配組要求對(duì)鋰離子電池的自放電率進(jìn)行精確測(cè)量并篩選。
3 電池SOC估算修正
荷電狀態(tài)也叫剩余電量，代表的是電池使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。自放電率對(duì)于鋰離子電池的SOC估算具有重要參考價(jià)值 。經(jīng)過(guò)自放電電流對(duì)SOC初值的修正可提高SOC估算精度，一方面對(duì)客戶(hù)而言可根據(jù)剩余電量估算產(chǎn)品可使用時(shí)間或行駛距離；另一方面提高BMS的SOC預(yù)測(cè)精度可有效預(yù)防電池過(guò)充過(guò)放，從而延長(zhǎng)電池使用壽命 。
