浅析动力锂电池循环寿命老化的方法研究

深圳职业技术学院汽车与交通学院 于 湛 张 凯

1 前言

动力锂电池作为新能源汽车的核心部件，广泛应用于新能源汽车领域，如特斯拉model S、model X和model 3、新一代的丰田Prius、雪弗莱Volt、日产Leaf以及比亚迪E6均采用动力锂电池。然而，动力锂电池成本高、使用寿命短，严重影响了电动汽车的市场推广。虽然动力锂电池的理论使用寿命可达20年之久，但是当电池容量下降到80%以下时，由于单次充电难以满足新能源车续航里程要求而被掏汰，实际用于电动汽车中的使用寿命仅有3-5年。不仅如此，动力锂电池在实际使用过程中，多种因子（温度、充放电倍率、充放电深度等）综合作用，加速了电池充放电循环次数的减少和电池材料循环的衰减；而电池性能退化的复杂多因素影响，难以根据简单的模型、曲线进行预判。但是电池性能的退化往往需要提前预测，以此决定是否更换或维修电池，制定相关策略，以避免安全事故的发生。同时动力锂电池循环寿命衰减源自于动力锂电池内部电化学系统复杂的相互作用，这些作用由一些外部因素所触发或加速，彼此关联且互为激励。因此通过实验方法研究动力电池寿命具有重要意义。

针对上述研究背景，本文浅析了动力锂电池的老化研究方法和发展方向。

2 老化机理分析

动力锂电池具有诸多优良特性,例如高的能量密度，较高的电压和电流输出,低的自放电率,因而在新能源汽车上得到了广泛的应用。由于动力锂电池是一个非常复杂的体系,其寿命老化过程更加复杂.容量的衰减和功率的衰退受到多种因素耦合作用。通过锂电池的结构，我们可以分为以下几个方面探讨。

2.1 阳极材料

碳材料特别是石墨,是锂电池最重要的阳极材料,随着使用和时间的推移,石墨阳极的老化会改变阴极的电极特性；在贮存中发生的老化效应以及在使用中发生的老化效应都会影响到电池的循环寿命。

2.2 阴极材料

锂金属氧化作为锂电池的阴极，由于在循环使用过程中，发生相变和结构改变，会导致电池容量衰减；一般锂电池使用强碱电解液，会溶解部分锂金属氧化物，产生可溶性物质迁移，新的结晶相生成和气体的产生，促使电池阻抗升高，减少外电路电压输出，导致锂电池的循环寿命老化。

另外，电池的寿命老化有着复杂的多种机理：材料的使用，贮存的环境和循环使用条件都会影响到电池的循环寿命和性能。

3 方法研究

现有寿命老化机理研究方法，如电化学分析法、安时法、阻抗法在原理上都可以应用于电池循环寿命衰减的研究。

电化学分析法：从电池内部物理化学过程的角度描述电池的动力学参数、传质过程、热力学特性参数、材料的机械、热、电特性等参数的变化规律，分析电池的运行机理并建立电池的退化模型。

安时法：在电池的全寿命周期对电池进行各种加速试验，如温度加速、放电速率、放电深度加速等，即按照一定放电速率 ( 厂家规定或行业内标准) 定期对电池容量进行测试，估计电池容量的退化模型。

但是，它们均存在一些局限性：电化学分析法可以给出电池循环衰减过程的详细解释，但该方法是破坏性、侵入式的方法，不适用于工程应用；安时法方法简单，便于实现，但电池的充放电试验环境及试验条件很难覆盖实际应用的复杂环境和工况，且测试时间长。综上所述，面向实际应用，能够准确体现在复杂的使用环境和工作模式下动力锂电池的循环寿命衰减机理研究方法是未来需要重点关注和发展的方向[1-3]。

4 新方法的探讨

4.1 动力锂电池老化机理与影响因素研究

针对动力锂电池老化的物理化学过程，解析电池性能退化的模式与机理，研究导致及影响老化发生、发展的主要因子及其耦合作用（如温度、充放电倍率、充放电深度等因素），探索表征、识别其老化状态的主要参数（如电化学阻抗谱、电池容量、充放电循环次数等），以此作为后续动力锂电池加速老化试验、剩余寿命预测等研究工作的研究基础与输入条件。

4.2 考虑多因子耦合作用的加速老化试验方法设计

以研究内容（1）的研究结果为依据，从单因子、多因子耦合作用等方面入手，研究电池加速老化试验设计方法，以此获取多因子耦合作用下的电池寿命参数数据，具体包括：

1)单因子影响下的加速老化试验方法设计：基于DOE（Design of Experiment）、ADT优化算法，分别针对温度、振动、充放电倍率，放电深度等加速因子，研究加速模型构建方法，设计相应的加速老化试验方案；

2)多因子耦合作用下的加速老化试验方法设计：针对上述加速因子，提出考虑它们同时作用时的加速老化试验优化设计方法，研究多因子耦合作用的加速模型构建方法，给出相应的加速老化试验方案。

在上述内容的基础上，基于三综合试验箱、电化学工作站、充放电试验台等试验设施，搭建动力电池多因子耦合作用加速老化试验实施与测试环境，开展试验工作并获取相应的寿命参数数据。

5 结论

通过动力锂电池循环寿命老化方法的分析与研究，我们可以得出以下结论，并可以指导今后试验研究的开展：

1)电化学分析法、安时法作为已有的研究方法存在一定的局限性：面向实际应用，能够准确体现在复杂的使用环境和工作模式下动力锂电池的循环寿命衰减机理研究方法是未来需要重点关注和发展的方向。

2)多因子耦合作用的加速老化试验方法可以模拟动力电池实际使用环境中的情况，较真实的提供试验数据，对今后的老化研究和寿命分析奠定基础。