鋰電池的老化是一個(gè)長(zhǎng)期漸變的過(guò)程,電池的健康狀態(tài)受溫度、電流倍率、截止電壓等多種因素影響。目前電池健康狀態(tài)的研究和建模分析等已有一定成果,相關(guān)的研究包括電池退化機(jī)理與老化因素分析、電池的健康管理、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)與估計(jì)、電池壽命預(yù)測(cè)等。
然而鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估方面仍缺少比較完善的歸納和綜述。本文從電池健康狀態(tài)的定義、影響因素、評(píng)估模型、研究難點(diǎn)和研究意義五個(gè)方面比較系統(tǒng)地介紹了電池健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。
電池健康狀態(tài)定義
電池SOH表征當(dāng)前電池相對(duì)于新電池存儲(chǔ)電能的能力,以百分比的形式表示電池從壽命開(kāi)始到壽命結(jié)束期間所處的狀態(tài),用來(lái)定量描述當(dāng)前電池的性能狀態(tài)。電池的性能指標(biāo)較多,國(guó)內(nèi)外對(duì)SOH有多種定義,概念上缺乏統(tǒng)一,目前SOH的定義主要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等幾個(gè)方面。
容量定義SOH
采用電池容量衰減定義SOH的文獻(xiàn)最多,給出的SOH定義如下:
式中:Caged為電池當(dāng)前容量;Crated為電池額定容量。
電量定義SOH
用電量定義SOH與容量定義相似,因?yàn)殡姵氐念~定容量有實(shí)際有效容量和最大容量,電池的實(shí)際容量與標(biāo)稱額定容量有些差異,所以有文獻(xiàn)從電池放電電量的角度定義SOH:
式中:Qaged-max為當(dāng)前電池最大放電電量;Qnewmax為新電池最大放電電量。
內(nèi)阻定義SOH
電池的內(nèi)阻增大是電池老化的重要表現(xiàn),也是電池進(jìn)一步老化的原因,不少文獻(xiàn)采用內(nèi)阻定義SOH:
式中:REOL為電池壽命結(jié)束時(shí)的內(nèi)阻;RC為當(dāng)前電池的內(nèi)阻;Rnew為新電池的內(nèi)阻。
剩余循環(huán)次數(shù)定義SOH
除了采用容量和內(nèi)阻等電池性能指標(biāo)定義SOH外,也有文獻(xiàn)用電池剩余的循環(huán)次數(shù)定義電池的SOH:
式中:Cntremain為電池剩余循環(huán)次數(shù);Cnttota為電池的總循環(huán)次數(shù)。
以上4種電池的SOH定義在文獻(xiàn)中較為常見(jiàn)。容量和電量定義可操作性強(qiáng),但容量為電池的外在表現(xiàn),而內(nèi)阻和剩余次數(shù)定義的可操作性不強(qiáng),內(nèi)阻與SOC、溫度有關(guān),不易測(cè)量,剩余循環(huán)次數(shù)和總循環(huán)次數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。
鋰電池健康狀態(tài)影響因素
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外有很多文獻(xiàn)研究鋰電池老化機(jī)理和規(guī)律,普遍認(rèn)為鋰離子沉積、SEI膜增厚和活性物質(zhì)損失等是造成電池老化和容量衰減的主要原因。鋰電池的濫用會(huì)加速電池老化,電池的正常充放也會(huì)影響電池健康狀態(tài),加速電池老化。
溫度對(duì)電池SOH的影響
溫度通常被認(rèn)為是影響電池健康狀態(tài)的主要因素,溫度對(duì)電池的性能有雙重影響,一方面高溫會(huì)加快電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度,提升電池的效率和性能,同時(shí)高溫也會(huì)加速一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,造成電池的活性物質(zhì)減少,引起電池的老化和容量衰減。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高溫會(huì)加快電池電極的SEI膜增長(zhǎng),鋰離子穿透SEI膜難度增加,等效為電池內(nèi)阻增大。
充放電電流倍率對(duì)電池SOH的影響
充放電倍率會(huì)影響電池的壽命,以三種不同放電倍率對(duì)索尼18650電池進(jìn)行300次循環(huán)實(shí)驗(yàn),其電池容量分別衰減9.5%、13.2%和16.9%,電池內(nèi)阻分別增加12.4%、18.3%和27.7%,同時(shí)高倍率放電會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生更多的熱量,加速電池老化,電子顯微鏡下觀察到高倍率電池放電的電極表面SEI膜比低倍率放電的要厚。
放電深度對(duì)電池SOH的影響
電池充放電深度對(duì)電池健康和老化有影響。有觀點(diǎn)認(rèn)為電池有累計(jì)的總轉(zhuǎn)移能量,基于總轉(zhuǎn)移能量進(jìn)行電池的容量衰減和老化分析。高飛等通過(guò)對(duì)鋰電池不同放電深度的循環(huán)測(cè)試,分析電池的累積轉(zhuǎn)移能量與電池容量衰減之間的關(guān)系,得出電池容量衰減到85%之前,電池累計(jì)轉(zhuǎn)移的能量在深充深放與淺充淺放這兩種模式下基本相同,當(dāng)電池容量衰減到85%～75%時(shí),電池累計(jì)轉(zhuǎn)移的能量和能量效率上,深充深放模式都優(yōu)于淺充淺放的模式。
循環(huán)區(qū)間對(duì)電池SOH的影響
電池充放電循環(huán)區(qū)間也會(huì)影響電池老化過(guò)程,循環(huán)區(qū)間不同對(duì)應(yīng)的充放電電池內(nèi)阻不一樣,因此循環(huán)過(guò)程中電池發(fā)熱和反應(yīng)略有不同,長(zhǎng)期將影響電池的健康和老化。因此有專家建議電池SOC范圍在20%～80%,這樣有利于電池健康和循環(huán)壽命。
充放電截止電壓對(duì)電池SOH的影響
電池的過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)電池健康產(chǎn)生影響,不恰當(dāng)?shù)碾妷荷舷藓碗妷合孪迣?duì)電池都有影響。放電截止電壓越低,電池內(nèi)阻越大,造成電池內(nèi)部發(fā)熱,同時(shí)引起副反應(yīng)增加,電池活性物質(zhì)減少和負(fù)極石墨片層出現(xiàn)塌陷,電池加速老化和容量衰減。過(guò)高的充電截止電壓引起電池內(nèi)阻增大,電池內(nèi)部發(fā)熱增加，過(guò)度充電引起負(fù)極產(chǎn)生“析鋰”現(xiàn)象以及相應(yīng)的副反應(yīng)增加，影響電池的容量和老化。
綜上所述,電池運(yùn)行的溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區(qū)間和充放電截止電壓等都會(huì)對(duì)電池的健康狀態(tài)和壽命產(chǎn)生影響。目前,電池健康狀態(tài)影響因素研究處于定性研究階段，這些影響因素對(duì)電池老化的定量分析以及各因素相互耦合關(guān)系是研究的難點(diǎn)，也是未來(lái)電池健康和壽命研究熱點(diǎn)。
鋰電池健康狀態(tài)評(píng)估模型
鋰電池的健康狀態(tài)無(wú)法通過(guò)直接測(cè)量獲取,電池健康狀態(tài)可通過(guò)模型評(píng)估得到,電池的老化和健康受多種因素共同影響,目前鋰電池的健康狀態(tài)評(píng)估模型主要有電化學(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N。
電化學(xué)模型
電化學(xué)模型從電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理出發(fā)分析電池運(yùn)行過(guò)程中的健康狀態(tài)變化,考慮電池的老化因素對(duì)電池內(nèi)外部狀態(tài)變量(溫度、電流倍率、截止電壓等)的影響。鋰電池電化學(xué)模型研究包括基于SEI機(jī)理模型、電化學(xué)第一原理模型、單因子和多因子綜合電化學(xué)模型的復(fù)雜電化學(xué)模型等。
等效電路模型
等效電路模型從電池的電工學(xué)角度,結(jié)合大量狀態(tài)數(shù)據(jù)分析,將鋰電池等效為一個(gè)基本的電路模型,用電路模型進(jìn)行電池的健康狀態(tài)評(píng)估。
鋰電池基本等效電路模型有Rint模型、RC模型和Thevenin模型3種,PNGV模型和GNL模型是在Thevenin等效電路模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的模型。
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/strong>
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、擬合、試湊、經(jīng)驗(yàn)公式和統(tǒng)計(jì)處理來(lái)獲取電池性能狀態(tài)的變化,總結(jié)出電池的健康狀態(tài)變化規(guī)律,主要有電池阻抗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗姵厝萘抗烙?jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這部分內(nèi)容可詳細(xì)參閱《搞懂鋰電池模型研究不容易,這篇綜述值得一看!》“鋰電聯(lián)盟會(huì)長(zhǎng)”2019.6.11,作者冷曉偉等。
鋰電池健康狀態(tài)研究的困難
鋰電池的健康狀態(tài)和壽命研究越來(lái)越受重視,然而電池的SOH研究還處于初級(jí)狀態(tài),主要有以下三個(gè)原因。
1、研究周期長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)條件控制嚴(yán)
鋰電池的循環(huán)壽命周期長(zhǎng),電池的老化實(shí)驗(yàn)周期很長(zhǎng),在測(cè)試過(guò)程中,溫度、充放電電流和充放電截止電壓等需要嚴(yán)格控制,并且每隔一定時(shí)間需要對(duì)電池的老化情況進(jìn)行評(píng)估。
2、電池內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控和分析困難
鋰電池的SOH研究涉及電池內(nèi)部狀態(tài)變量,如電化學(xué)模型中電池內(nèi)部溫度、電解液濃度和內(nèi)阻等狀態(tài),而電池的內(nèi)部狀態(tài)準(zhǔn)確監(jiān)控非常困難,還需要對(duì)這些狀態(tài)變量進(jìn)行定量分析,這使得電池的SOH研究需要解決的問(wèn)題難度大。
3、各種影響因素耦合
電池運(yùn)行的溫度、充放電倍率和放電深度等都是影響電池老化和壽命的因素,而且這些因素是共同作用的,電池SOH的研究要求各種影響因素進(jìn)行解耦。然而這些因素是相互關(guān)聯(lián)的,解耦條件難以控制,目前很難進(jìn)行解耦分析。
鋰電池健康狀態(tài)研究意義
電池SOH研究難度大,進(jìn)展緩慢,但是SOH研究對(duì)電池的使用、維護(hù)和評(píng)估有很高價(jià)值,可為規(guī)劃、政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)和參考,具有重要的意義。
對(duì)電池管理的意義
電池管理系統(tǒng)估算電池荷電狀態(tài)和剩余電量與電池的容量有關(guān),若電池管理系統(tǒng)能掌握電池的老化規(guī)律和健康狀態(tài),將有助于其做好電池全壽命周期的電池管理。
對(duì)電池使用和維護(hù)的意義
SOH研究有利于掌握電池老化影響因素,為電池的使用和維護(hù)提供理論指導(dǎo)。對(duì)電池的使用和維護(hù)而言,了解影響電池老化的因素可減少高低溫以及過(guò)充過(guò)放等有損電池使用的情況;知悉電池當(dāng)前的健康狀態(tài),可幫助判斷電池的內(nèi)在隱患和壽命情況,為電池維護(hù)和更換提供參考。
對(duì)電池經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的意義
SOH的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)電池的經(jīng)濟(jì)性評(píng)估有重要意義,鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)景、使用方式和維護(hù)手段不同造成電池的壽命差異,使電池的使用成本、經(jīng)濟(jì)效益等經(jīng)濟(jì)性評(píng)估有差別。通過(guò)SOH研究建立電池的老化模型,為分析電池的經(jīng)濟(jì)性提供數(shù)據(jù)支撐,將為企業(yè)投資決策、政府政策制定和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供有效輔助。
