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淺談鋰電池壽命

鉅大LARGE  |  點擊量:1487次  |  2019年10月28日  

導(dǎo)語:鋰電池作為最常見的儲能設(shè)備,在我們生活和工作中都經(jīng)常用到。鋰電池也是電子產(chǎn)品短命的主要元件之一。作者也是在某個項目中用到鋰電池,也不是專業(yè)的鋰電專業(yè),就不班門弄斧,下文的主要結(jié)論主要參考電池大學(xué)研究結(jié)論,電池大學(xué)主要由電池儀器廠商Cadex 80年代創(chuàng)建,專注于電池的特性研究以及電池測試儀器的生產(chǎn)開發(fā),在行業(yè)內(nèi)有很高的權(quán)威。


(來源:微信公眾號“創(chuàng)易棧” ID:emakerzone)


No.1國標對鋰電池壽命的計算方法


國標規(guī)定的鋰電池循環(huán)壽命測試條件及要求:在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下,以1C充電,當電池端電壓達到充電限制電壓4.2V時,改為恒壓充電,直到充電電流小于或等于1/20C,停止充電,擱置0.5h~1h,然后以1C電流放電至終止電壓2.75V,放電結(jié)束后,擱置0.5h~1h,再進行下一個充放電循環(huán),直至連續(xù)兩次放電時間小于36min,則認為壽命終止,循環(huán)次數(shù)必須大于300次。


從國標的定義上看,我們提煉出兩點:


1、.這個定義規(guī)定了循環(huán)壽命的測試是以深充深放方式進行的;


2、鋰電池的循環(huán)壽命按照這個模式,經(jīng)過≥300次循環(huán)后容量仍然有60%以上可用容量。


No.2影響鋰電池壽命的因素


1.鋰電池壽命有關(guān)的因素


根據(jù)電池大學(xué)認為,影響鋰電池壽命的主要因素有以下:


1)充電次數(shù);


2)放電深度;


3)充電截止電壓;


4)充電速度;


5)使用溫度;


2.充電次數(shù)對壽命的影響


很多消費者甚至是部分工程師認為,很多鋰電池規(guī)格書上標注的壽命估算:充電次數(shù)300次左右,以為是只要插入充電器一次,就算一次充電,這樣估算的話,如果消費者一天插入充電器2次,電池壽命就只有半年不到了。由于很多人認識電池還是停留在鎳氫電池和鎳鎘電池上,由于該類型的電池是具備記憶效應(yīng),但是鋰電池沒有記憶效應(yīng),電池大學(xué)認為,鋰電池的一次完整循環(huán)應(yīng)該這樣描述:鋰電池以1C(充電最大電流)的電流充電到額定電壓4.2V,并且以0.05C充電電流涓流充電至電池飽和,然后再以1C的放電速度放電到3V,此過程為一次完整的充放電循環(huán)。沒有充滿沒有放完都不算一次完整的充放電循環(huán)。如果你的電池從滿電狀態(tài),用了十分之一的電量,然后又充滿了,這是十分之一個循環(huán),這樣充10次,才基本算一個循環(huán)。一般的鋰電池的壽命的循環(huán)次數(shù)是300~500次(此時電池并沒有完全損壞,只是容量只有初始容量的60%~70%)。


圖1 電池大學(xué)認為鋰電池深充深放才算一次完整的循環(huán)


3.放電深度DoD對壽命的影響


很多消費者甚至是部分工程師認為,鋰電池充電次數(shù)過多是有損電池的,所以使用過程中,都是滿充滿放,等到電池容量接近0再充電,充電截止電壓設(shè)置為最高的閾值電壓4.2V。電池大學(xué)卻認為,鋰電池放電深度越低越好,如下圖2,舉個例子,1AH的LiPO4電池,100% DoD時,循環(huán)次數(shù)約600次,壽命內(nèi)提供的容量 J=1AH*600=600AH,如果以40%的DoD深度放電,可以循環(huán)3000次,壽命內(nèi)提供的容量 J=1AH*0.4*3000=1200AH,比100%放電深度提高了50%的壽命。豐田的雙擎混動汽車,電池提供8年16萬公里的質(zhì)保,對外宣傳就是:淺充淺放,壽命更長。


圖2;電池大學(xué)認為淺充淺放更有利于電池的壽命


4.充電電壓對壽命的影響


電池大學(xué)認為,充電截止電壓對電池的壽命影響是關(guān)鍵性的,鋰電池在4.2V以下,有兩個重要的準則:


1、充電截止電壓在4.2V以下,每降低0.1V,可充電的循環(huán)次數(shù)就會提高一倍。


2、充滿電壓每下降70mV,電池的可用容量就會降低10%。


電動汽車,衛(wèi)星中的鋰離子電池還必須具有8年以上的使用壽命。為實現(xiàn)此目的,電池僅被充電至3.90V /電池或更低。NASA的一個有趣發(fā)現(xiàn)是,駐留在4.10V /電池以上的鋰離子由于陰極上的電解質(zhì)氧化而趨于分解,而充電至較低電壓的鋰離子則由于SEI在陽極上積聚而失去容量。美國國家特種航天局(NASA)報告說,一旦鋰離子在衛(wèi)星中傳遞了大約40,000個周期之后,它通過了8年大關(guān),則由這種現(xiàn)象引起的電池質(zhì)量惡化很快就會發(fā)展。充電至3.92V /電池似乎可以最大程度地延長使用壽命,但這只能使容量降低約60%。瑞典查爾默斯科技大學(xué)報告說,使用降低的50%SOC(state-of-ge 充電方式)充電量可使汽車鋰離子電池的預(yù)期壽命提高44–130%。


大多數(shù)用于手機,筆記本電腦,平板電腦和數(shù)碼相機的設(shè)計者將將鋰離子電池充電至4.20V 。這是運行的極限閾值。因為消費電子更新周期一般是3年,使用者希望的是更長的續(xù)航時間,很多山寨品牌就是為了追求榨干所有的容量,將充電電壓提高到4.3V甚至更高。另一方面,工業(yè)界更關(guān)注壽命,并可能選擇較低的電壓閾值,充電閾值由各個廠家自行設(shè)定,并沒有統(tǒng)一的標準。


下圖3顯示,充電截止電壓越低,對壽命越有利。


圖3;充電截止電壓對壽命的影響


下圖4顯示,黃色曲線表面,電池充電到75%,放電到65%容量時,即使循環(huán)8000次,容量損失也非常小。


圖4;充電策略對壽命的影響


5.充電速度如何影響壽命


電池大學(xué)認為,鋰電池充電速度(充電電流)對鋰電池的壽命有關(guān)鍵的影響,充電速度越快,電池的壽命越短。下圖5是900mAH鋰電池作為對比實驗,C:電池表示的容量數(shù)值。例如,2600mAh的鋰充電電池,1C=2.6A;3400mAh的鋰充電電池1C=3.4A。由實驗結(jié)果可知,1C的充電速度,500個循環(huán)后剩余滿容量為800mAH,減少100mAH,容量下降約11%。如果以2C的充電速度充電,500個循環(huán)后剩余滿容量為500mAH,減少400mAH,容量下降約44%。現(xiàn)在的手機廠商都在追求充電速度,卻是犧牲電池壽命為代價,好在消費電子更新頻率足夠高。


圖5;充電速度對壽命的影響


6. 溫度對壽命的影響?


電池大學(xué)認為,鋰電池的工作溫度對電池壽命有很大的影響,實驗顯示,鋰電池經(jīng)歷過100次的循環(huán)充放電,在20℃時,NCM材質(zhì)鋰電池的容量只下降到97.7,而溫度升高到60℃,電池的容量下降到只有60%左右。所以要盡可能讓電池維持在常溫的狀態(tài)。


No.3總結(jié)


通過電池大學(xué)的結(jié)論,我們知道鋰電池的壽命評估和設(shè)計是一項系統(tǒng)的工程,涉及到充電次數(shù)、放電深度、充電截止電壓、充電速度、使用溫度五個關(guān)鍵因素,這些因素與成本、用戶體驗、性能、質(zhì)量、可靠性息息相關(guān),這就需要產(chǎn)品經(jīng)理在具體的產(chǎn)品中做取舍,例如手機的產(chǎn)品經(jīng)理,追求的就是充電更快、續(xù)航更長,壽命不要緊(一兩年就要換手機),而工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)品經(jīng)理,基本是追求產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定,壽命更長,充電速度和續(xù)航是可以降低優(yōu)先級的。




原標題:淺談鋰電池壽命


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