鉅大LARGE | 點擊量:1015次 | 2021年04月09日
充電過程中電壓電流會不會影響三元鋰離子電池的壽命?
一般而言我們常說的三元材料重要指的是NMC材料,也包含NCA材料,層狀材料的容量發揮受到其結構穩定性的影響,由于Ni3+的化學穩定性要比Co元素更好,因此在充電的過程中NMC材料也就能脫出更多的Li,使得材料的容量由較大的提升。
隨著鋰離子電池能量密度的不斷提升,傳統的鈷酸鋰材料正逐漸被容量更高的三元材料所取代,雖然三元材料具有與LCO相似的層狀結構,但是相比于LCO材料,三元材料不僅僅在材料的容量上獲得了很大的提升,熱穩定性也要明顯好于LCO材料。
一般而言我們常說的三元材料重要指的是NMC材料,也包含NCA材料,層狀材料的容量發揮受到其結構穩定性的影響,由于Ni3+的化學穩定性要比Co元素更好,因此在充電的過程中NMC材料也就能脫出更多的Li,使得材料的容量由較大的提升。
反過來,層狀氧化物正極材料結構穩定性還受到脫Li數量的影響,過量的脫Li可能會導致材料的層狀結構坍塌,因此為了保證NMC材料的結構穩定性要對材料的充電截止電壓進行限制,保證材料的長期的循環穩定性。
德國明斯特大學的JohannesKasnatscheew等人對NCM111和NCM532(兩款材料來自BMW集團)、NCM622和NCA(兩款材料來自Customcell)、NCM811(來自杉杉科技)材料的充電制度對其循環壽命和結構穩定性的影響進行了研究。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
充電截止電壓的影響
NMC材料的脫鋰數量與充電截止電壓成正比,也就是說充電截止電壓越高NMC材料的脫鋰量也就越大,相應地材料的結構也就越不穩定。下圖為NCM811材料在不同的充電截止電壓下,循環性能曲線,可以看到提高截止電壓后,材料容量發揮明顯提高了,但是隨之而來的是材料衰降速度的加速。
比較不同截止電壓下的循環數據后發現,4.6V截止電壓時雖然在第五次放電時比容量最高,但是在循環53次后,其容量快速下降,低于4.5V和4.4V截止電壓下NMC111的容量。這表明一味的的提高充電截止電壓,雖然會使的材料的容量獲得較大的提升,但卻會使的材料的循環穩定性發生明顯的下降,因此要根據電池的設計壽命合理選擇充電截止電壓。
JohannesKasnatscheew對影響三元材料循環性能的因素進行了分析,例如充電截止電壓和化成的電壓和電流,以及環境溫度對NMC和NCA材料循環性能的影響,從本質上來說隨著NMC材料脫鋰數量的新增,會導致材料的結構穩定性下降,影響循環性能。此外,高溫也會對材料的穩定性出現負面的影響,從而導致材料循環性能下降。JohannesKasnatscheew還根據NMC材料的特性,設計了一種全新的充電制度,既截止容量限制,對充電電壓進行調整保證電池每次充電的容量都是相同的,從而克服由于電池過電勢導致的充電容量和放電容量的衰降,很好的改善了電池的循環性能。
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