NCM電池壽命衰降機理分解

鋰電池在循環過程中會伴隨著繼續的可逆容量衰降，最終導致鋰電池失效，導致鋰電池可逆容量衰降的因素比較多，通常我們認為SEI膜的繼續生長是導致鋰電池衰降的緊要因素，此外正極材料的結構衰變導致的可逆容量降低，以及負極析鋰都是導致鋰電池容量衰降的緊要原由，但是詳盡到特定的體系和特定的使用方式就要針對性的分解。

近日北京交通大學的YangGao(第一作者)和JiuchunJiang(通訊作者)等人針對NCM/石墨電池在0–20%,20%–40%,40%–60%,60%–80%,80%–100%和0–100%SoC范圍內，6C倍率下循環的衰降機理進行了分解，研究發今朝0-20%之間循環會導致鋰電池出現較多的內阻新增，較少的容量損失，而在80-100%循環會導致電池更多的容量損失。對衰降的機理研究顯示，在100%DOD下正極活性物質損失和活性Li損失的比例是相當的，但是在20%DOD下，造成鋰電池衰降的緊要原由是活性Li的損失。

實驗中采用的電池參數如下表所示，電池容量為8Ah，正極NCM材料，負極為石墨類材料。探測采用Arbin探測設備進行，在整個循環過程中電池擱置在25攝氏度的恒溫箱中，減少溫度對電池衰降的影響。

鋰電池在不同的SoC范圍內循環的數據如下圖所示，為了比較20%DOD和100%DOD放電深度的電池的循環性能，作者將5次20%DOD循環作為一個等效循環(整體放電容量相當于100%DOD)，從下圖中能夠看到在循環中衰降速度自快而慢分別為[80%,100%]>[20%,40%]>[40%,60%]≈[60%,80%]>[0,20%]，中間的三個SoC范圍在衰降速度上是非常接近的。100%DOD和80%SoC-100%SoC循環的電池容量衰降速度要顯著快于其他20%DOD循環的電池。

YangGao采用脈沖電流辦法測量了電池內阻在循環中的變化趨勢，由于鋰電池內部不同的阻抗的應和速度不同，一般來說歐姆阻抗相應最快，因此作者認為10mS量級測得的阻抗緊要為歐姆阻抗，而電池極化阻抗反應稍慢，因此10mS以后的阻抗則蘊含了歐姆阻抗和電池極化阻抗，因此可以依據這些特性對鋰電池內部的歐姆阻抗和極化阻抗進行分離。

從下圖的探測結果來看，電池在循環中歐姆阻抗變化較小，100%DOD和0-20%SoC循環的電池歐姆阻抗新增要高于其他范圍的電池，但是相比之下，電池極化阻抗的新增則更為顯著，從下圖中能夠看到極化阻抗新增最大的是100%DOD的電池，而在20%DOD循環的電池中0-20%SoC循環的電池的極化阻抗新增最大。

在完成了循環探測后，YangGao將電池在0.05C小倍率下進行了一次容量探測，以消除極化因素的影響，獲取最大可逆容量Cmax，然后分別在不同倍率下進行放電，用最大可逆容量減去不同倍率下的容量得到了動力學特性降低導致的容量損失Closs。從下圖的探測數據來看，在80%SoC-100%SoC循環的電池的最大可逆容量損失最多，0%-20%SoC循環的電池的最大可逆容量損失最少，但是從下圖b中能夠發現，0%-20%SoC循環的電池因為動力學特性變差造成的容量損失卻最大。這聲明在高SoC范圍循環會導致鋰電池可逆容量損失較大，在低SoC范圍內循環，會導致鋰電池動力學特性衰降較為嚴重。

為了分解造成鋰電池在不同SoC范圍內循環的容量衰降機理，YangGao采用了增量容量法ICA和電壓差分法DVA對鋰電池進行了分解，首先作者采用三電極電池的辦法分別測量了全電池中正極、負極在充電過程中的電壓變化和正極、負極、全電池分別的dV/dQ以及dQ/dV曲線(如下圖所示，感興致的朋友可以查看我們之前的文章《安利一款強大的衰降機理分解工具——dV/dQ曲線》)，從下圖b中能夠看到在全電池中緊要出現了兩個緊要峰，將全電池劃分為三個緊要的反應區，而這兩者緊要的峰都來自負極，作者依據特點峰的位置將dV/dQ曲線分為了下圖b中的幾個部分。

下圖a和b展示了不同的活性Li損失下電池的dV/dQ曲線的變化，從圖中能夠看到在活性Li損失時鋰電池的正極電壓曲線沒有發生顯著的變化，但是負極的曲線會向右發生偏移，從下圖b能夠看到由負極出現的兩個特點峰會隨著Li損失的新增整體向右發生偏移，并且發生形狀的變化。下圖c和d則反應了正極活性物質損失對電壓曲線造成的影響，從圖中能夠看到正極活性物質損失對全電池電壓曲線和負極曲線沒有影響，同時dV/dQ曲線中的特點峰也沒有顯著的變化，這緊要是因為鋰電池中活性Li實際上是不足的，因此正極活性物質損失一部分不會對鋰電池的容量出現大的影響。同樣的鑒于負極的顯著過量因此在循環中，一定量的負極活性物質損失并不會對全電池的容量出現顯著的變化，但是卻會造成dV/dQ曲線中的特點峰發生偏移，以及面積的減小。

依據上面的數據，YangGao認為PEareaI和NEpeakIII的容量，以及NEpeakII的高度代表鋰電池內的活性Li損失，PEareaII容量緊要代表了正極的活性物質損失，NEpeakI的高度和容量緊要反應了負極活性物質的損失。

下圖為鋰電池在循環過程中特點峰的變化，下圖a為PEareaII在循環中的變化，緊要聲明了正極活性物質的損失，下圖b緊要反應了活性Li的損失，從圖中能夠看到100%DOD循環的電池正極活性物質損失最大，而20%DOD循環的電池則活性Li的損失最大，同時在循環中活性Li的損失在不斷加速，而正極活性物質的損失則在不斷減速，這聲明活性Li損失是導致20%DOD電池容量衰降的緊要因素。下圖e和f分別表示NEpeakI的高度和容量的變化，反應了負極活性物質的損失，從圖中能夠看到在循環中0-20%循環的電池會發生更多的負極活性物質損失，但是相比于活性Li損失和正極活性物質損失，負極活性物質損失依然要小的多，這聲明在NCM/石墨電池中負極活性物質損失不是導致可逆容量衰降的緊要因素。

總的來看關于20%DOD循環的電池，活性Li的損失是導致可逆容量衰降的緊要因素，而關于100%DOD循環的電池，正極活性物質損失和活性Li的損失都是導致其可逆容量衰降的緊要因素。

YangGao的工作聲明不同的使用制度會導致不同的衰降機理，在20%DOD下循環的電池容量衰降比較慢，但是內阻新增比較快，但是無論是容量衰降還是內阻新增都要慢于100%DOD的電池。關于20%DOD循環的電池，活性Li的損失是導致可逆容量損失的緊要原由，而100%DOD循環的電池正極活性物質損失和活性Li的損失都是電池可逆容量衰降的緊要因素。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除