鉅大LARGE | 點擊量：2058次 | 2020年11月27日
什么樣的鋰離子電池才是好電池？
前沿
派克電池第一步就是選擇使用什么樣的鋰電池。那么，什么樣的電池才算好電池呢？
1.壽命長
二次電池壽命，包括循環(huán)壽命和日歷壽命兩個指標(biāo)。循環(huán)壽命是指電池經(jīng)歷了廠家承諾的循環(huán)次數(shù)后，剩余容量仍然大于等于80%。日歷壽命是指無論使用與否，在廠家承諾的時間段內(nèi)，其剩余容量不得小于80%。
壽命，是動力電池的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，一方面，更換電池這個大動作確實麻煩且用戶體驗不好；另一方面，根本上，壽命是成本問題。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
鋰電池壽命是指電池在使用過一段時間后，容量衰減為標(biāo)稱容量（室溫25℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，且以0.2C放電的電池容量的70%），即可認(rèn)為壽命終止。行業(yè)內(nèi)一般以鋰電池滿充滿放的循環(huán)次數(shù)來計算循環(huán)壽命。在使用的過程中，鋰電池內(nèi)部會發(fā)生不可逆的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致容量下降，比如電解液的分解，活性材料的失活，正負(fù)極結(jié)構(gòu)的坍塌導(dǎo)致鋰離子嵌入和脫嵌的數(shù)量減少等等。實驗標(biāo)明，更高倍率的放電會導(dǎo)致容量更快的衰減，如果放電電流較低，電池電壓會接近平衡電壓，能釋放出更多的能量。
三元鋰電池的理論壽命約為800次循環(huán)，在商業(yè)化的可充電鋰電池中屬于中等。磷酸鐵鋰約為2000次，而鈦酸鋰據(jù)說可以達(dá)到1萬次循環(huán)。目前主流的電池廠家在其生產(chǎn)的三元電芯規(guī)格書中承諾大于500次（標(biāo)準(zhǔn)條件下充放電），但是電芯在配組做成電池包后，由于一致性問題，主要是電壓和內(nèi)阻不可能完全一樣，其循環(huán)壽命大約為400次。推薦SOC使用窗口為10%~90%，不建議進(jìn)行深度充放電，不然會對電池的正負(fù)極結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷，若是以淺充淺放來計算的話，循環(huán)壽命至少有1000次。另外，鋰電池若是經(jīng)常在高倍率和高溫環(huán)境下放電，電池壽命會大幅下降到不足200次。
8路5V20A鋰電池檢測分容均衡儀應(yīng)用實例
2.成本低
電池本身每度電的價格低，是最直觀的成本。加上前面所說，對用戶來說，成本是否真的低，還要看"全生命周期度電成本"。
"全生命周期度電成本"，動力電池總電量乘以循環(huán)次數(shù)得到電池全生命周期可以利用的電量總和，用電池包總體價格除以這個總和，得到全生命周期內(nèi)每度電的價格。
我們平時所說的電池價格，比如1500元/kWh，都只是按照新電芯的總能量去計價，其實，全生命周期度電成本，才是終端客戶的直接利益所在。最直觀的結(jié)果就是，同樣的價格買到同樣電量的兩個電池包，一個充放50次就到了壽命終點，另一個充放了100次還能再用。這兩個電池包，那個便宜哪個貴就一目了然了。
說白了就是壽命長，耐用，降低了成本。
除了上面的兩種成本，電池的維護(hù)成本也需要考慮。單純考慮前期成本，選用問題電芯，后期維護(hù)成本及人工成本太高。針對電芯本身的維護(hù)，主要指手動均衡。BMS自帶的均衡功能受限于自身設(shè)計均衡電流的大小，可能無法實現(xiàn)電芯之間的理想均衡，隨著時間的積累，電池組中就會出現(xiàn)壓差過大問題。遇到此類情形，只得進(jìn)行手動均衡，對電壓過低的電芯單獨充電。這種情形出現(xiàn)的頻率越低，則維護(hù)成本越低。
3.能量密度高/功率密度高
能量密度，指單位重量或者單位體積內(nèi)包含的能量；電池的平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。一般在相同體積下，鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍，是鎳氫電池的1.8倍，因此在電池容量相等的情況下，鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小，重量更輕。
電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度。
功率密度是指單位重量或者體積對應(yīng)的最大放電功率的數(shù)值。在道路車輛有限的空間內(nèi)，只有通過提高密度才能有效提高總體能量和總體功率。加之，當(dāng)前的國家補貼，把能量密度和功率密度作為衡量補貼檔次的門檻，更加強化了密度的重要性。
但能量密度與安全性之間，存在著一定的矛盾關(guān)系，隨著能量密度的提高，安全性總會面臨更新更艱巨的挑戰(zhàn)。
4.電壓高
由于負(fù)極材料基本都采用石墨電極，鋰電池的電壓主要的由正極材料的材料特性決定，磷酸鐵鋰電壓上限3.6V，三元鋰和錳酸鋰電池最高電壓4.2V左右（下篇講解為什么鋰電池最高電壓不能突破4.2V）。研發(fā)高電壓電芯，是鋰電池提高能量密度的一條技術(shù)路線。提高電芯輸出電壓，需要電勢高的正極材料，電勢低的負(fù)極材料和穩(wěn)定電壓高的電解液。
5.能量效率高
庫倫效率，也叫充電效率，是指電池放電容量與同循環(huán)過程中充電容量之比。即放電比容量與充電比容量之百分比。
對于正極材料來說，是嵌鋰容量/脫鋰容量，即放電容量/充電容量;對于負(fù)極材料來說，是脫鋰容量/嵌鋰容量，即放電容量/充電容量。
在充電過程中電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，放電過程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，兩次轉(zhuǎn)化過程中電能的輸入與輸出存在一定的效率，該效率直接反映電池性能的好壞。
在專業(yè)物理學(xué)角度，庫倫效率和能量效率不一樣的，一個是電量之比，一個是做功之比。
蓄電池的能量效率與庫倫效率，但從數(shù)學(xué)表達(dá)式上看，兩者之間有一個電壓的關(guān)系。充放電的平均電壓不相等，放電平均電壓一般小于充電平均電壓
通過電池的能量效率可以判斷電池的性能，由能量守恒可知，損失的電能主要轉(zhuǎn)變成熱能，因而能量效率可以分析電池在工作過程中產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而可以分析內(nèi)阻與熱量的關(guān)系。并且已知能量效率可以預(yù)測電池剩余能量的多少，對電池的合理使用進(jìn)行管理。
因為輸入的電量往往不能全部用來將活性物質(zhì)轉(zhuǎn)換為充電態(tài)，而是有部分被消耗，(例如發(fā)生不可逆的副反應(yīng)），因此庫倫效率往往小于100%。但就目前的鋰離子電池而言，庫倫效率基本都能達(dá)到99.9%及以上。
影響因素：電解質(zhì)分解，界面鈍化，電極活性材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、導(dǎo)電性的變化都會降低庫倫效率。
另外，值得一提的是，電池衰減對庫倫效率的影響不大，而且與溫度方面關(guān)系不大。
電流密度反映的是單位面積通過的電流大小，隨著電流密度的增大，電堆通過的電流增大，電壓效率由于內(nèi)阻的原因而降低，庫倫效率由于濃差極化等原因而降低，最終導(dǎo)致能量效率降低。
6.高溫性能好
鋰電池高溫性能良好，指電芯處在較高的溫度環(huán)境中，電池正負(fù)極材料，隔膜和電解液還能夠保持良好的穩(wěn)定性，在高溫下能夠正常工作，壽命不會加速衰減，高溫不容易引起熱失控事故。
鋰電池的溫度顯示了顯示了電池的熱狀態(tài)，其中所存在的本質(zhì)是鋰電池產(chǎn)熱和傳熱的結(jié)果。研究鋰電池的熱特性，及其在不同狀態(tài)下的產(chǎn)熱和傳熱特性，能夠讓我們認(rèn)識到鋰電池內(nèi)部發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)的主要途徑。
鋰電池的不安全行為，包括電池在過充過放、快速充放電、短路、機械濫用條件和高溫?zé)釠_擊等情況，容易觸發(fā)電池內(nèi)部的危險性副反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，直接破壞負(fù)極和正極表面的鈍化膜。
當(dāng)電芯溫度上升到130℃以后，負(fù)極表面的SEI膜分解，導(dǎo)致高活性鋰碳負(fù)極暴露于電解液中發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量使電池進(jìn)入高危狀態(tài)。
當(dāng)電池內(nèi)部局部溫度升高到200℃以上時，正極表面鈍化膜分解正極發(fā)生析氧，并繼續(xù)同電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量并形成高內(nèi)壓。當(dāng)電池溫度達(dá)到240℃以上時，還伴隨鋰炭負(fù)極同粘結(jié)劑的劇烈放熱反應(yīng)。
鋰電池的溫度問題對于鋰電池的安全性有很大的影響。使用的環(huán)境本身也是有一定的溫度的，而鋰電池在使用的時候也會產(chǎn)生溫度。重要的是，溫度會對鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生較大的影響，溫度過高甚至?xí)p害鋰電池的使用壽命，嚴(yán)重的情況下會引發(fā)鋰電池的安全問題。
7.低溫性能好
鋰電池低溫性能好，指低溫下，電池內(nèi)部的鋰離子和電極材料還都保持較高活性，剩余容量高，放電能力衰減少，允許充電倍率大。
隨著溫度的下降，鋰電池剩余容量衰減成加速形勢。溫度越低，容量衰減越快。低溫下強行充電的危害極大，非常容易引起熱失控事故。低溫下鋰離子和電極活性物質(zhì)活力下降，鋰離子嵌入負(fù)極材料內(nèi)部的速率嚴(yán)重下降。外加電源以超過電池允許的功率充電時，大量鋰離子堆積在負(fù)極周圍，來不及嵌入電極的鋰離子得電子后直接沉積在電極表面，形成鋰單質(zhì)結(jié)晶。枝晶生長，直接穿透隔膜，刺向正極。引發(fā)正負(fù)極短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。
除了因為放電容量會嚴(yán)重衰退外，低溫下也不能對鋰電池進(jìn)行充電。在低溫充電時，電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應(yīng)是同時存在的且相互競爭。低溫條件下鋰離子在石墨中的擴散被抑制，電解液的導(dǎo)電率下降，從而導(dǎo)致嵌入速率降低而在石墨表面上會使鍍鋰反應(yīng)更容易產(chǎn)生。鋰離子電池在低溫下使用時壽命下降的原因主要有內(nèi)部阻抗的增加與鋰離子析出使容量衰減。
8.安全性好
鋰電池的安全性，既包括內(nèi)部材質(zhì)的穩(wěn)定性，又包括電芯安全輔助措施的有效性。內(nèi)部材質(zhì)安全性指正負(fù)極材料、隔膜和電解液，熱穩(wěn)定性好，電解液與電極材料相容性好，電解液自身阻燃性好。安全輔助措施，指電芯的安全閥設(shè)計，熔斷器設(shè)計，溫度敏感電阻設(shè)計，靈敏度適當(dāng)，單個電芯故障后，可以防止故障蔓延起到隔離作用。
9.一致性好
通過"木桶效應(yīng)"我們了解到電池一致性的重要性。一致性，指應(yīng)用于同一個電池包的電芯，容量、開路電壓、內(nèi)阻、自放電等參數(shù)極差小，性能近似。自身具有優(yōu)異性能的電芯單體，如果一致性不好，成組后，往往其優(yōu)異性都被抹平。有研究表明，成組后電池組容量由最小容量電芯決定，電池包壽命小于壽命最短電芯壽命。
10.方便組裝
鋰電池能量密度高，為了防止單點能量過高，電池單體普遍能量較小。應(yīng)用于電動汽車的電池，需要把大量電芯組織起來，連接成一個整體使用。單體電芯經(jīng)過焊接、壓接等各種手段，形成模組，模組再經(jīng)過高壓導(dǎo)線連接，形成電池包。這個過程中，單體電芯是否易于焊接，是否為壓接設(shè)計了連接接口，是否方便熱管理系統(tǒng)對每個電池單體發(fā)揮作用，都會影響成組設(shè)計的簡潔性和成組效率的高低。有的電芯單體密度高，但形狀不友好，加工成電池包以后，能量密度只有單體的一半。電芯單體的連接特性不好，就會白白浪費了電芯的能量密度。
