浅谈丨锂电池寿命


来源:创易栈   时间:2019-10-13 15:24:25


北极星储能网讯:导语:锂电池作为最常见的储能设备,在我们生活和工作中都经常用到。锂电池也是电子产品短命的主要元件之一。作者也是在某个项目中用到锂电池,也不是专业的锂电专业,就不班门弄斧,下文的主要结论主要参考电池大学研究结论,电池大学主要由电池仪器厂商Cadex 80年代创建,专注于电池的特性研究以及电池测试仪器的生产开发,在行业内有很高的权威。

(来源:微信公众号“创易栈” ID:emakerzone)

No.1国标对锂电池寿命的计算方法

国标规定的锂电池循环寿命测试条件及要求:在环境温度20℃±5℃的条件下,以1C充电,当电池端电压达到充电限制电压4.2V时,改为恒压充电,直到充电电流小于或等于1/20C,停止充电,搁置0.5h~1h,然后以1C电流放电至终止电压2.75V,放电结束后,搁置0.5h~1h,再进行下一个充放电循环,直至连续两次放电时间小于36min,则认为寿命终止,循环次数必须大于300次。

从国标的定义上看,我们提炼出两点:

1、.这个定义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的;

2、锂电池的循环寿命按照这个模式,经过≥300次循环后容量仍然有60%以上可用容量。

No.2影响锂电池寿命的因素

1.锂电池寿命有关的因素

根据电池大学认为,影响锂电池寿命的主要因素有以下:

1)充电次数;

2)放电深度;

3)充电截止电压;

4)充电速度;

5)使用温度;

2.充电次数对寿命的影响

很多消费者甚至是部分工程师认为,很多锂电池规格书上标注的寿命估算:充电次数300次左右,以为是只要插入充电器一次,就算一次充电,这样估算的话,如果消费者一天插入充电器2次,电池寿命就只有半年不到了。由于很多人认识电池还是停留在镍氢电池和镍镉电池上,由于该类型的电池是具备记忆效应,但是锂电池没有记忆效应,电池大学认为,锂电池的一次完整循环应该这样描述:锂电池以1C(充电最大电流)的电流充电到额定电压4.2V,并且以0.05C充电电流涓流充电至电池饱和,然后再以1C的放电速度放电到3V,此过程为一次完整的充放电循环。没有充满没有放完都不算一次完整的充放电循环。如果你的电池从满电状态,用了十分之一的电量,然后又充满了,这是十分之一个循环,这样充10次,才基本算一个循环。一般的锂电池的寿命的循环次数是300~500次(此时电池并没有完全损坏,只是容量只有初始容量的60%~70%)。

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图1 电池大学认为锂电池深充深放才算一次完整的循环

3.放电深度DoD对寿命的影响

很多消费者甚至是部分工程师认为,锂电池充电次数过多是有损电池的,所以使用过程中,都是满充满放,等到电池容量接近0再充电,充电截止电压设置为最高的阈值电压4.2V。电池大学却认为,锂电池放电深度越低越好,如下图2,举个例子,1AH的LiPO4电池,100% DoD时,循环次数约600次,寿命内提供的容量 J=1AH*600=600AH,如果以40%的DoD深度放电,可以循环3000次,寿命内提供的容量 J=1AH*0.4*3000=1200AH,比100%放电深度提高了50%的寿命。丰田的双擎混动汽车,电池提供8年16万公里的质保,对外宣传就是:浅充浅放,寿命更长。

图2;电池大学认为浅充浅放更有利于电池的寿命

4.充电电压对寿命的影响

电池大学认为,充电截止电压对电池的寿命影响是关键性的,锂电池在4.2V以下,有两个重要的准则:

1、充电截止电压在4.2V以下,每降低0.1V,可充电的循环次数就会提高一倍。

2、充满电压每下降70mV,电池的可用容量就会降低10%。

电动汽车,卫星中的锂离子电池还必须具有8年以上的使用寿命。为实现此目的,电池仅被充电至3.90V /电池或更低。NASA的一个有趣发现是,驻留在4.10V /电池以上的锂离子由于阴极上的电解质氧化而趋于分解,而充电至较低电压的锂离子则由于SEI在阳极上积聚而失去容量。美国国家航空航天局(NASA)报告说,一旦锂离子在卫星中传递了大约40,000个周期之后,它通过了8年大关,则由这种现象引起的电池质量恶化很快就会发展。充电至3.92V /电池似乎可以最大程度地延长使用寿命,但这只能使容量降低约60%。瑞典查尔默斯科技大学报告说,使用降低的50%SOC(state-of-ge 充电方式)充电量可使汽车锂离子电池的预期寿命提高44–130%。

大多数用于手机,笔记本电脑,平板电脑和数码相机的设计者将将锂离子电池充电至4.20V 。这是运行的极限阈值。因为消费电子更新周期一般是3年,使用者希望的是更长的续航时间,很多山寨品牌就是为了追求榨干所有的容量,将充电电压提高到4.3V甚至更高。另一方面,工业界更关注寿命,并可能选择较低的电压阈值,充电阈值由各个厂家自行设定,并没有统一的标准。

下图3显示,充电截止电压越低,对寿命越有利。

图3;充电截止电压对寿命的影响

下图4显示,黄色曲线表面,电池充电到75%,放电到65%容量时,即使循环8000次,容量损失也非常小。

图4;充电策略对寿命的影响

5.充电速度如何影响寿命

电池大学认为,锂电池充电速度(充电电流)对锂电池的寿命有关键的影响,充电速度越快,电池的寿命越短。下图5是900mAH锂电池作为对比实验,C:电池表示的容量数值。例如,2600mAh的锂充电电池,1C=2.6A;3400mAh的锂充电电池1C=3.4A。由实验结果可知,1C的充电速度,500个循环后剩余满容量为800mAH,减少100mAH,容量下降约11%。如果以2C的充电速度充电,500个循环后剩余满容量为500mAH,减少400mAH,容量下降约44%。现在的手机厂商都在追求充电速度,却是牺牲电池寿命为代价,好在消费电子更新频率足够高。

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图5;充电速度对寿命的影响

6. 温度对寿命的影响?

电池大学认为,锂电池的工作温度对电池寿命有很大的影响,实验显示,锂电池经历过100次的循环充放电,在20℃时,NCM材质锂电池的容量只下降到97.7,而温度升高到60℃,电池的容量下降到只有60%左右。所以要尽可能让电池维持在常温的状态。

No.3总结

通过电池大学的结论,我们知道锂电池的寿命评估和设计是一项系统的工程,涉及到充电次数、放电深度、充电截止电压、充电速度、使用温度五个关键因素,这些因素与成本、用户体验、性能、质量、可靠性息息相关,这就需要产品经理在具体的产品中做取舍,例如手机的产品经理,追求的就是充电更快、续航更长,寿命不要紧(一两年就要换手机),而工业产品的产品经理,基本是追求产品质量更稳定,寿命更长,充电速度和续航是可以降低优先级的。


原标题:浅谈锂电池寿命

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