鋰電池放電容量影響因素介紹

隨著充放電循環次數的新增，電池容量將會不斷衰減，當容量衰減至額定容量的75%~80%時，認為鋰電池進入失效狀態。放電倍率、電池溫升、環境溫度對鋰電池放電容量有較大影響。

本文對電池采用恒壓恒流充電、恒流放電的充放電準則，將放電倍率、電池放電溫升、環境溫度依次作為變量和定量進行循環試驗，分解不同正極材料下，放電倍率、電池放電溫升、環境溫度以及循環次數對鋰電池放電容量的影響。

一、電池基本試驗方案

正、負極材料不同，循環壽命差異較大，影響電池的容量特性。磷酸鐵鋰(LFP)和鎳鈷錳三元材料(NMC)以其神奇優點廣泛用作鋰離子二次電池的正極材料。由表1可知，NMC電池的額定容量、標稱電壓、放電倍率值都高于LFP電池。

將LFP和NMC的鋰電池按照一定的恒流恒壓充電、恒流放電規矩進行充放電，在充放電過程中記錄充放電截止電壓、放電倍率、電池溫升、試驗溫度、電池容量的變化情況。

二、放電倍率對放電容量的影響

固定溫度和充放電規矩，將LFP電池和NMC電池按照不同放電倍率進行恒流放電。調整溫度分別為：35、25、10、5、－5、－15℃。

由圖1可知，相同溫度下，通過新增放電倍率，LFP電池放電容量整體呈現衰減趨勢。相同放電倍率下，低溫變化對LFP電池放電容量影響較大。

當溫度降到0℃以下時，放電容量衰減嚴重并出現容量不可逆現象。值得說明的是，LFP電池在低溫柔大放電倍率的雙重影響下加重放電容量的衰減。相比LFP電池，NMC電池對溫度更為敏感，放電容量隨環境溫度、放電倍率變化顯著。

由圖2可知，相同溫度下，NMC電池放電容量整體呈現先衰減后回升的趨勢。相同放電倍率下，溫度越低則放電容量越少。

隨著放電倍率的升高，鋰電池繼續出現放電容量衰減現象，究其原由是由于極化嚴重，放電電壓提前減小到放電截止電壓，即放電時間縮短，放電不充足，負極Li+沒有脫嵌完全。電池放電倍率在1.5～3.0時，放電容量開始顯現不同程度的回升跡象。由于反應的繼續進行，電池本身的溫度會隨放電倍率的新增而顯著升高，Li+熱運動能力增強、擴散速度加快，使得Li+脫嵌速度加快，放電容量回升。由此得出，大放電倍率和電池本身溫升的雙重影響導致了電池的不單調現象。

三、電池溫升對放電容量的影響

NMC電池在30℃下分別進行2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5C放電試驗，得出的放電容量與鋰電池溫升變化關系曲線如圖3所示。

由圖3可知，相同放電容量下，放電倍率越高，溫升變化越顯著。在相同放電倍率下對恒流放電過程的三個時期進行分解可知，溫度升高緊要在放電初期和后期。

四、環境溫度對放電容量的影響

鋰電池的最佳工作溫度是25～40℃。由表2、表3比較可看出，當溫度低于5℃時，兩類電池放電迅速、放電容量顯著減少。

低溫試驗后恢復高溫，相同溫度下，LFP電池放電容量減137.1mAh，NMC電池減少47.8mAh，但溫升與放電時間并無改變。可見LFP熱穩定性良好，僅在低溫下表現出較差的耐受性，電池容量出現不可逆的衰減；而NMC電池對溫度變化敏感。

五、循環次數對放電容量的影響

圖4為鋰電池容量衰減曲線示意圖，將放電容量在0.8Q記為電池失效點。隨著充放電循環次數的新增，放電容量開始呈現衰減。

將1600mAh的LFP電池以充電0.5C放電0.5C進行充放電循環試驗，共進行600次循環試驗，以電池容量的80%作為電池失效判別標準。以100為間隔次數對放電容量及容量衰減相對誤差的百分比進行分解，如圖5所示。

將2000mAh的NMC電池以充電1.0C放電1.0C進行充放電循環試驗，以電池容量的80%作為壽命截止時的電池容量。取前700次，以100為間隔次數對放電容量以及容量衰減相對誤差的百分比進行分解，如圖6所示。

LFP電池和NMC電池在循環次數為0時的容量均為額定容量，但通常實際容量小于額定容量，故在第一個100次循環后，放電容量衰減嚴重。LFP電池循環壽命長，理論壽命是1000次；NMC電池理論壽命是300次。經歷相同的循環次數，NMC電池容量衰減速度較快；當循環次數為600時，NMC電池容量衰減接近失效閾值位置。

六、結論

通過對鋰電池進行充放電試驗，以正極材料、放電倍率、電池溫升、環境溫度和循環次數五個參數作為變量，分解了容量相關特性與不同影響因素之間的關系，得出以下結論：

(1)在電池額定溫度范圍內，適當的高溫對Li+的脫嵌和嵌入有促使作用。尤其是對放電容量來說，放電倍率越大，生熱速率越大，鋰電池內部的電化學反應越分明。

(2)LFP電池在充放電過程中對高溫、放電倍率表現出較好的適應性；對低溫有較差的耐受性，放電容量衰減嚴重，升溫后不可恢復。

(3)在相同的充放電循環次數下，LFP電池循環壽命長，NMC電池容量更快衰減至額定容量的80%。

(4)與LFP電池相比，NMC電池放電容量對溫度更為敏感，并且在大放電倍率下，放電容量出現不單調性且溫升變化顯著。

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