基于区间应力的锂离子电池容量估计及寿命预测研究

基于区间应力的锂离子电池容量估计及寿命预测研究

陈基荣

惠州锂威新能源科技有限公司 广东惠州 516000

摘要：基于区间应力的角度，对锂离子电池容量进行评估和研究具有重要意义，是较为准确地估计其寿命的基础，对于预测使用年限、更换时间点等必要环节都具有重要作用。锂离子电池的典型特点就是能量密度高、寿命相对较长以及充放电平台高，被广泛使用在各个领域，是电能储备、新能源电动汽车和通讯等领域重要力量。区间应力下必须认识到电池受到功率、能量、衰退速度等的多方面影响，保证安全，在选定分区间中使用锂离子电池，充分研究出其影响寿命的各个因素，提高认知水平。

关键词：区间应力；锂离子电池；容量估计；寿命预测

引言：

关于锂电子电池区间应力方面的研究，已经有很多学者和专家关注，表明虽然电池荷电状态（soc）的可用范围是0%到100%，但实际中很少经历从满充到满放的过程。在现实生活使用中，因为要考虑包括安全在内的各个要素，因此对于锂电子电池的运用区间必然在一定范围内。锂电子电池的材料体系不同，研究中也就会有不同的结论，测试条件也不一致，需要在研究中统一内外条件，得出普遍结论。

1锂离子电池的种类划分

从正极材料的差异进行分析，当前普遍在各个行业通用的锂离子电池可以被划分为：钴酸锂（LCO）电池、锰酸锂（LMO）电池、磷酸铁锂（LF）电池、三元复合材料电池和钛酸锂（LTO）电池。其中，磷酸铁锂电池和其他电池相比，具有稳定性高、安全性能好、循环寿命长的优点，运用更加广泛，尤其对电动车产生巨大影响。其在不断发展过程中，技术越来越成熟，而且生产效率较高，价格便宜，具有物美价廉的优势。但是磷酸铁锂电池也有很多缺点，包括能量密度和功率密度不高，低温环境中性能下降等，在某些环境下必须采用其他种类锂离子电池。采用石墨作为负极的锂离子电池普遍具有不可忽视的缺点，低温时候充电过度会导致有锂枝晶析出，使电池短路的可能性大大上升，也让电池的正常使用变成困难。这个过程容易形成固体电解质（SEI）膜，影响电池首次充放电的质量。锂离子电池的使用需要充分根据实际条件，必须对区间应力背景下的锂离子电池容量估计及寿命预测进行细致划分，强调不同种类电池带来的差异性。

2影响锂离子电池容量的内外因素

2.1内部因素

锂离子电池内部结构对于容量具有影响，其主要由锂电池的内部结构主要由正极、负极、隔膜和电解液构成，任何一个部分的变化都会影响到整体，从而影响到电池容量和最终的使用寿命。

2.1.1正极

电池在长期的充放电过程中，正极材料的晶格参数会发生改变，导致锂离子无法正常的嵌入和脱出。从而导致电池容量逐渐减小。

2.1.2负极

电池在经历化成工序后，负极的SEI膜会不断增长，导致Li+和电解液溶剂的不断损耗，使电池容量下降。在电池的反复充电、放电过程中，随着极片的收缩和膨胀，一方面会导致活性物质与集流体的接触变差导致掉粉，另一方面SEI膜会不断发生破裂和再修复，进一步加剧Li+的损耗。

2.1.3隔膜

电池在使用中会产生一系列反应，其产生的副反应和产物会在隔膜上不断积累，让隔膜之间的缝隙压缩，导致内阻增长，导致电池容量衰减。

2.1.4电解液

锂离子电池的老化过程伴随着电解液的损耗，电解液干涸后锂离子的迁移通道被阻断，电池也无法再继续使用。

2.2外部因素

2.2.1温度

温度对于电池的寿命有着重要影响，在电池的正常工作范围内，温度越高，化学反应速率越快，电池的老化速率也逐渐增大，温度对电池寿命的影响服从Arrhenius方程。当电池在过高的温度环境下存储或工作时，电解液和SEI膜会发生分解，产生大量气体。充电温度过低时，电芯负极表面容易析出锂单质。

需要说明的是，电池在充放电过程中会产生热量，导致电池实际温度高于环境温度，为了更准确地获得温度对电池老化的影响，在研究过程中需要使用电池的真实温度。

2.2.2充放电电压

电池的过充会导致内部发生剧烈的副反应，正极材料发生严重的结构坍塌并释氧，同时Li+沉积在负极表面。电池的过放会导致SEI膜的分解破坏，严重时会导致析铜，对电芯的安全和寿命有较大的影响。

2.2.3 充放电电流

电池的充电、放电电流增大时一方面会导致电池的温升加剧，另一方面也会使粘结剂的疲劳应力发生变化，从而导致活性物质的脱落。此外，较大的充电电流会导致电芯析锂。

2.2.4自放电

锂离子电池中的自放电现象会造成电池的容量损失，这种损失分为两种，一种是可以恢复的状态，一种是不可恢复的状态，都会导致电池容量最终减少。

3基于区间应力的锂离子电池容量估计及寿命预测的过程

锂离子电池的容量评估是保证整个系统高质量工作的重要保证，当前对于锂离子电池SOH特征参数的数据不足。在当前历史数据不足的情况下，如何进行较为准确的评估和预测具有挑战性，要以钴酸锂电池为主要目标，将动力电池现实状况考量进去，提取容量增量曲线峰值高度和峰值位置电压两个健康状态特征参数，与电池容量同时作为多输出高斯过程的输出，从而进行较为准确和有针对性的对估计。要使用关联分析的方法，以此作为量化的重要方式，把控好已知条件，挖掘出特征参数背后隐藏的信息。最终结果为多输出高斯过程对于小样本条件下的回归问题具有很大优势，可以在研究中作为重要手段。

4基于区间应力的锂离子电池容量估计及寿命预测的策略

4.1关注“急缓急”，立足三个阶段

从不同区间应力的角度进行观察和记录后，发现锂离子电池的变化会出现从急切到缓和再到急切三个阶段，这也是影响最终寿命的速率。上限为100%SOC的三个区间中，在循环衰退后会体现出“拐点”，变化不再明显，其衰退速度得到了暂时的遏制。但随着反复循环开始后，随着循环次数的增加，充电１C曲线整体向上限电压偏移，曲线峰值和峰下面积减小。通过以上可以总结出结论，那就是高端SOC和中端SOC增长速度基本一致，但是低端SOC增长速度相对较为缓慢。

4.2反思容量再生，理清规律

有研究学者和专家进行分析后，提取出提取了0-100%区间内的循环数据，发现了容量再生的规律，且这种容量再生和电池寿命有关，不能使其逐渐恢复到初始状态。立足容量再生的特点，要确保理清因果关系，保证电池高效率工作，也让电池老化的速度得到缓解。相关研究表明，电池负极的钝化层和容量再生具有关联性，在经过2到5次的循环后，再生出来的容量也不再满足使用条件，也影响了对最终结果的观察和分析。在评估和预测电池容量与寿命时，必须排除容量再生的影响，保证最终的数据不受这个因素的干扰。

4.3采用模型，提高准确性

基于区间应力的锂离子电池容量估计及寿命预测需要采用模型，将模型的有关内容纳入借来，关注循环次数，将加入模型系统中，完善模型输入、两个健康因子容量的模型输出，使其成为多输出高斯过程回归的锂离子电池容量预测模型。在模型中也要使用数学函数，将函数纳入其中，利用单一协方差核函数和组合核函数对模型验证，确保没有错误，让SOH误差率不超过2%。

结束语：

在量化不同应力因素对电池衰退的过程中，要模拟真实的工作环境，让对寿命的预测具备针对性，可以说明问题。当前的电池老化模型可分为机理模型、半经验模型和经验模型，其结果存在较大差异。要充分结合实验数据，完善对锂离子电池老化方面的研究。在此过程中，要充分考虑到材料体系和不同应用场景。通过理论结合实践，正确把握锂离子电池和容量和寿命，将其中的影响因素阐明，为现实各个行业发展服务。

参考文献

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