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(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)測與估計、電池壽命預(yù)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(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(jié)束期間所處的狀態(tài),用來定量描述當(dāng)前電池的性能狀態(tài)。電池的性能指標(biāo)較多,國內(nèi)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(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)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(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(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。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),不易測量,剩余循環(huán)次數(shù)和總循環(huán)次數(shù)無法準(zhǔn)確預(yù)測。

鋰電池健康狀態(tài)影響因素

近年來,國內(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(rèn)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(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)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(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。有實驗數(shù)據(jù)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(nèi)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(jìn)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(nèi)阻分別增加12.4%、18.3%和27.7%,同時高倍率放電會在電池內(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(rèn)為電池有累計的總轉(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。高飛等通過對鋰電池不同放電深度的循環(huán)測試,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,電池累計轉(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(yīng)的充放電電池內(nèi)阻不一樣,因此循環(huán)過程中電池發(fā)熱和反應(yīng)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(chǎn)生影響,不恰當(dāng)?shù)碾妷荷舷藓碗妷合孪迣﹄姵囟加杏绊憽７烹娊刂闺妷涸降?電池內(nèi)阻越大,造成電池內(nèi)部發(fā)熱,同時引起副反應(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(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，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(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗?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(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基本的電路模型,用電路模型進(jìn)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(chǔ)上改進(jìn)的模型。

經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/strong>