深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院 于 湛 張 凱

1 前言

動力鋰電池作為新能源汽車的核心部件，廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域，如特斯拉model S、model X和model 3、新一代的豐田Prius、雪弗萊Volt、日產(chǎn)Leaf以及比亞迪E6均采用動力鋰電池。然而，動力鋰電池成本高、使用壽命短，嚴(yán)重影響了電動汽車的市場推廣。雖然動力鋰電池的理論使用壽命可達(dá)20年之久，但是當(dāng)電池容量下降到80%以下時，由于單次充電難以滿足新能源車?yán)m(xù)航里程要求而被掏汰，實(shí)際用于電動汽車中的使用壽命僅有3-5年。不僅如此，動力鋰電池在實(shí)際使用過程中，多種因子（溫度、充放電倍率、充放電深度等）綜合作用，加速了電池充放電循環(huán)次數(shù)的減少和電池材料循環(huán)的衰減；而電池性能退化的復(fù)雜多因素影響，難以根據(jù)簡單的模型、曲線進(jìn)行預(yù)判。但是電池性能的退化往往需要提前預(yù)測，以此決定是否更換或維修電池，制定相關(guān)策略，以避免安全事故的發(fā)生。同時動力鋰電池循環(huán)壽命衰減源自于動力鋰電池內(nèi)部電化學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜的相互作用，這些作用由一些外部因素所觸發(fā)或加速，彼此關(guān)聯(lián)且互為激勵。因此通過實(shí)驗(yàn)方法研究動力電池壽命具有重要意義。

針對上述研究背景，本文淺析了動力鋰電池的老化研究方法和發(fā)展方向。

2 老化機(jī)理分析

動力鋰電池具有諸多優(yōu)良特性,例如高的能量密度，較高的電壓和電流輸出,低的自放電率,因而在新能源汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。由于動力鋰電池是一個非常復(fù)雜的體系,其壽命老化過程更加復(fù)雜.容量的衰減和功率的衰退受到多種因素耦合作用。通過鋰電池的結(jié)構(gòu)，我們可以分為以下幾個方面探討。

2.1 陽極材料

碳材料特別是石墨,是鋰電池最重要的陽極材料,隨著使用和時間的推移,石墨陽極的老化會改變陰極的電極特性；在貯存中發(fā)生的老化效應(yīng)以及在使用中發(fā)生的老化效應(yīng)都會影響到電池的循環(huán)壽命。

2.2 陰極材料

鋰金屬氧化作為鋰電池的陰極，由于在循環(huán)使用過程中，發(fā)生相變和結(jié)構(gòu)改變，會導(dǎo)致電池容量衰減；一般鋰電池使用強(qiáng)堿電解液，會溶解部分鋰金屬氧化物，產(chǎn)生可溶性物質(zhì)遷移，新的結(jié)晶相生成和氣體的產(chǎn)生，促使電池阻抗升高，減少外電路電壓輸出，導(dǎo)致鋰電池的循環(huán)壽命老化。

另外，電池的壽命老化有著復(fù)雜的多種機(jī)理：材料的使用，貯存的環(huán)境和循環(huán)使用條件都會影響到電池的循環(huán)壽命和性能。

3 方法研究

現(xiàn)有壽命老化機(jī)理研究方法，如電化學(xué)分析法、安時法、阻抗法在原理上都可以應(yīng)用于電池循環(huán)壽命衰減的研究。

電化學(xué)分析法：從電池內(nèi)部物理化學(xué)過程的角度描述電池的動力學(xué)參數(shù)、傳質(zhì)過程、熱力學(xué)特性參數(shù)、材料的機(jī)械、熱、電特性等參數(shù)的變化規(guī)律，分析電池的運(yùn)行機(jī)理并建立電池的退化模型。

安時法：在電池的全壽命周期對電池進(jìn)行各種加速試驗(yàn)，如溫度加速、放電速率、放電深度加速等，即按照一定放電速率 ( 廠家規(guī)定或行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)) 定期對電池容量進(jìn)行測試，估計電池容量的退化模型。

但是，它們均存在一些局限性：電化學(xué)分析法可以給出電池循環(huán)衰減過程的詳細(xì)解釋，但該方法是破壞性、侵入式的方法，不適用于工程應(yīng)用；安時法方法簡單，便于實(shí)現(xiàn)，但電池的充放電試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)條件很難覆蓋實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境和工況，且測試時間長。綜上所述，面向?qū)嶋H應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)在復(fù)雜的使用環(huán)境和工作模式下動力鋰電池的循環(huán)壽命衰減機(jī)理研究方法是未來需要重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展的方向[1-3]。

4 新方法的探討

4.1 動力鋰電池老化機(jī)理與影響因素研究

針對動力鋰電池老化的物理化學(xué)過程，解析電池性能退化的模式與機(jī)理，研究導(dǎo)致及影響老化發(fā)生、發(fā)展的主要因子及其耦合作用（如溫度、充放電倍率、充放電深度等因素），探索表征、識別其老化狀態(tài)的主要參數(shù)（如電化學(xué)阻抗譜、電池容量、充放電循環(huán)次數(shù)等），以此作為后續(xù)動力鋰電池加速老化試驗(yàn)、剩余壽命預(yù)測等研究工作的研究基礎(chǔ)與輸入條件。

4.2 考慮多因子耦合作用的加速老化試驗(yàn)方法設(shè)計

以研究內(nèi)容（1）的研究結(jié)果為依據(jù)，從單因子、多因子耦合作用等方面入手，研究電池加速老化試驗(yàn)設(shè)計方法，以此獲取多因子耦合作用下的電池壽命參數(shù)數(shù)據(jù)，具體包括：

1)單因子影響下的加速老化試驗(yàn)方法設(shè)計：基于DOE（Design of Experiment）、ADT優(yōu)化算法，分別針對溫度、振動、充放電倍率，放電深度等加速因子，研究加速模型構(gòu)建方法，設(shè)計相應(yīng)的加速老化試驗(yàn)方案；

2)多因子耦合作用下的加速老化試驗(yàn)方法設(shè)計：針對上述加速因子，提出考慮它們同時作用時的加速老化試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計方法，研究多因子耦合作用的加速模型構(gòu)建方法，給出相應(yīng)的加速老化試驗(yàn)方案。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，基于三綜合試驗(yàn)箱、電化學(xué)工作站、充放電試驗(yàn)臺等試驗(yàn)設(shè)施，搭建動力電池多因子耦合作用加速老化試驗(yàn)實(shí)施與測試環(huán)境，開展試驗(yàn)工作并獲取相應(yīng)的壽命參數(shù)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

通過動力鋰電池循環(huán)壽命老化方法的分析與研究，我們可以得出以下結(jié)論，并可以指導(dǎo)今后試驗(yàn)研究的開展：

1)電化學(xué)分析法、安時法作為已有的研究方法存在一定的局限性：面向?qū)嶋H應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)在復(fù)雜的使用環(huán)境和工作模式下動力鋰電池的循環(huán)壽命衰減機(jī)理研究方法是未來需要重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展的方向。

2)多因子耦合作用的加速老化試驗(yàn)方法可以模擬動力電池實(shí)際使用環(huán)境中的情況，較真實(shí)的提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對今后的老化研究和壽命分析奠定基礎(chǔ)。