鋰電池的老化是一個長期漸變的過程,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,相關的研究包括電池退化機理與老化因素分析、電池的健康管理、電池狀態(tài)監(jiān)測與估計、電池壽命預測等。
然而鋰電池健康狀態(tài)評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、評估模型、研究難點和研究意義五個方面比較系統(tǒng)地介紹了電池健康狀態(tài)的研究現狀和進展。
電池健康狀態(tài)定義
電池SOH表征當前電池相對于新電池存儲電能的能力,以百分比的形式表示電池從壽命開始到壽命結束期間所處的狀態(tài),用來定量描述當前電池的性能狀態(tài)。電池的性能指標較多,國內外對SOH有多種定義,概念上缺乏統(tǒng)一,目前SOH的定義主要體現在容量、電量、內阻、循環(huán)次數和峰值功率等幾個方面。
容量定義SOH
采用電池容量衰減定義SOH的文獻最多,給出的SOH定義如下:
式中:Caged為電池當前容量;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,因為電池的額定容量有實際有效容量和最大容量,電池的實際容量與標稱額定容量有些差異,所以有文獻從電池放電電量的角度定義SOH:
式中:Qaged-max為當前電池最大放電電量;Qnewmax為新電池最大放電電量。
內阻定義SOH
電池的內阻增大是電池老化的重要表現,也是電池進一步老化的原因,不少文獻采用內阻定義SOH:
式中:REOL為電池壽命結束時的內阻;RC為當前電池的內阻;Rnew為新電池的內阻。
剩余循環(huán)次數定義SOH
除了采用容量和內阻等電池性能指標定義SOH外,也有文獻用電池剩余的循環(huán)次數定義電池的SOH:
式中:Cntremain為電池剩余循環(huán)次數;Cnttota為電池的總循環(huán)次數。
以上4種電池的SOH定義在文獻中較為常見。容量和電量定義可操作性強,但容量為電池的外在表現,而內阻和剩余次數定義的可操作性不強,內阻與SOC、溫度有關,不易測量,剩余循環(huán)次數和總循環(huán)次數無法準確預測。
鋰電池健康狀態(tài)影響因素
近年來,國內外有很多文獻研究鋰電池老化機理和規(guī)律,普遍認為鋰離子沉積、SEI膜增厚和活性物質損失等是造成電池老化和容量衰減的主要原因。鋰電池的濫用會加速電池老化,電池的正常充放也會影響電池健康狀態(tài),加速電池老化。
溫度對電池SOH的影響
溫度通常被認為是影響電池健康狀態(tài)的主要因素,溫度對電池的性能有雙重影響,一方面高溫會加快電池內部的化學反應速度,提升電池的效率和性能,同時高溫也會加速一些不可逆的化學反應發(fā)生,造成電池的活性物質減少,引起電池的老化和容量衰減。有實驗數據表明高溫會加快電池電極的SEI膜增長,鋰離子穿透SEI膜難度增加,等效為電池內阻增大。
充放電電流倍率對電池SOH的影響
充放電倍率會影響電池的壽命,以三種不同放電倍率對索尼18650電池進行300次循環(huán)實驗,其電池容量分別衰減9.5%、13.2%和16.9%,電池內阻分別增加12.4%、18.3%和27.7%,同時高倍率放電會在電池內部產生更多的熱量,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。
放電深度對電池SOH的影響
電池充放電深度對電池健康和老化有影響。有觀點認為電池有累計的總轉移能量,基于總轉移能量進行電池的容量衰減和老化分析。高飛等通過對鋰電池不同放電深度的循環(huán)測試,分析電池的累積轉移能量與電池容量衰減之間的關系,得出電池容量衰減到85%之前,電池累計轉移的能量在深充深放與淺充淺放這兩種模式下基本相同,當電池容量衰減到85%～75%時,電池累計轉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)間對電池SOH的影響
電池充放電循環(huán)區(qū)間也會影響電池老化過程,循環(huán)區(qū)間不同對應的充放電電池內阻不一樣,因此循環(huán)過程中電池發(fā)熱和反應略有不同,長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。
充放電截止電壓對電池SOH的影響
電池的過充和過放都會對電池健康產生影響,不恰當的電壓上限和電壓下限對電池都有影響。放電截止電壓越低,電池內阻越大,造成電池內部發(fā)熱,同時引起副反應增加,電池活性物質減少和負極石墨片層出現塌陷,電池加速老化和容量衰減。過高的充電截止電壓引起電池內阻增大,電池內部發(fā)熱增加，過度充電引起負極產生“析鋰”現象以及相應的副反應增加，影響電池的容量和老化。
綜上所述,電池運行的溫度、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對電池的健康狀態(tài)和壽命產生影響。目前,電池健康狀態(tài)影響因素研究處于定性研究階段，這些影響因素對電池老化的定量分析以及各因素相互耦合關系是研究的難點，也是未來電池健康和壽命研究熱點。
鋰電池健康狀態(tài)評估模型
鋰電池的健康狀態(tài)無法通過直接測量獲取,電池健康狀態(tài)可通過模型評估得到,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)評估模型主要有電化學模型、等效電路模型和經驗模型三種。
電化學模型
電化學模型從電池的電化學反應機理出發(fā)分析電池運行過程中的健康狀態(tài)變化,考慮電池的老化因素對電池內外部狀態(tài)變量(溫度、電流倍率、截止電壓等)的影響。鋰電池電化學模型研究包括基于SEI機理模型、電化學第一原理模型、單因子和多因子綜合電化學模型的復雜電化學模型等。
等效電路模型
等效電路模型從電池的電工學角度,結合大量狀態(tài)數據分析,將鋰電池等效為一個基本的電路模型,用電路模型進行電池的健康狀態(tài)評估。
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等效電路模型基礎上改進的模型。
經驗模型
經驗模型通過大量實驗數據分析、擬合、試湊、經驗公式和統(tǒng)計處理來獲取電池性能狀態(tài)的變化,總結出電池的健康狀態(tài)變化規(guī)律,主要有電池阻抗經驗模型和電池容量估計經驗模型。這部分內容可詳細參閱《搞懂鋰電池模型研究不容易,這篇綜述值得一看!》“鋰電聯(lián)盟會長”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)和壽命研究越來越受重視,然而電池的SOH研究還處于初級狀態(tài),主要有以下三個原因。
1、研究周期長,實驗條件控制嚴
鋰電池的循環(huán)壽命周期長,電池的老化實驗周期很長,在測試過程中,溫度、充放電電流和充放電截止電壓等需要嚴格控制,并且每隔一定時間需要對電池的老化情況進行評估。
2、電池內部狀態(tài)監(jiān)控和分析困難
鋰電池的SOH研究涉及電池內部狀態(tài)變量,如電化學模型中電池內部溫度、電解液濃度和內阻等狀態(tài),而電池的內部狀態(tài)準確監(jiān)控非常困難,還需要對這些狀態(tài)變量進行定量分析,這使得電池的SOH研究需要解決的問題難度大。
3、各種影響因素耦合
電池運行的溫度、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行解耦。然而這些因素是相互關聯(lián)的,解耦條件難以控制,目前很難進行解耦分析。
鋰電池健康狀態(tài)研究意義
電池SOH研究難度大,進展緩慢,但是SOH研究對電池的使用、維護和評估有很高價值,可為規(guī)劃、政策和產業(yè)發(fā)展提供依據和參考,具有重要的意義。
對電池管理的意義
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,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。
對電池使用和維護的意義
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提供理論指導。對電池的使用和維護而言,了解影響電池老化的因素可減少高低溫以及過充過放等有損電池使用的情況;知悉電池當前的健康狀態(tài),可幫助判斷電池的內在隱患和壽命情況,為電池維護和更換提供參考。
對電池經濟性評估的意義
SOH的準確評價對電池的經濟性評估有重要意義,鋰電池的應用場景、使用方式和維護手段不同造成電池的壽命差異,使電池的使用成本、經濟效益等經濟性評估有差別。通過SOH研究建立電池的老化模型,為分析電池的經濟性提供數據支撐,將為企業(yè)投資決策、政府政策制定和產業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供有效輔助。
