如何延长锂离子电池寿命?锂离子电池老化原因

来源：锂离子电池厂家作者：锂离子电池厂家发布时间：2020-06-18 11:35:56 阅读数:1137

一起来探讨锂离子电池老化的原因以及采用哪些措施来延长锂离子电池寿命。

锂离子电池尚未完全成熟，并且还在改善中。随着容量的逐渐增加，寿命和安全性有了显著的进步。如今，锂离子电池已满足大多数消费类设备的期望，但新能源汽车的应用仍需要进一步开发，然后这种电源才能成为公认的规范。

锂离子电池老化的原因

作为电池护理人员，您需要知道如何延长电池寿命。每个电池系统在充电速度，放电深度，负载和承受不利温度方面都有独特的需求。检查是什么原因导致容量损失，内部电阻上升如何影响性能，高自放电率有什么作用，电池可以放电到多低？您可能还对电池测试的基础知识感兴趣。

锂离子电池老化的原因

锂离子电池负责正负极之间的离子运动。理论上，这种机制应该永远有效，但是随着时间的流逝，循环，高温和老化会降低性能。制造商采取保守的方法，并指定大多数消费产品中锂离子电池的寿命为300至500次充/放电周期。

在计数周期上评估电池寿命不是决定性的，因为放电深度可能会变化，并且没有明确定义周期的组成标准。代替周期计数，一些设备制造商建议在日期戳上更换电池，但是这种方法并未考虑使用方法。由于过度使用或不利的温度条件，电池可能会在指定的时间内失效。但是，大多数包装的使用寿命比邮票所示的要长得多。

电池的性能以容量进行衡量。内部电阻和自放电也起着作用，但是在预测现代锂离子电池的使用寿命结束时，这些作用并不重要。

图1说明了在Cadex实验室循环使用的11个锂聚合物电池的容量下降。首先以1500mA（1C）的电流将电池充电至1500mAh，然后将其充电至4.20V/cell，然后作为完全充电饱和的一部分使其饱和至0.05C（75mA）。然后将电池以1500mA放电至3.0V/cell，并重复该循环。锂离子电池的预期容量损失在交付的250个循环中是均匀的，并且电池按预期运行。

11个锂聚合物电池的容量下降

图1：容量下降作为循环的一部分。在Cadex C7400电池分析仪上测试了11个新的锂离子电池。所有包装开始时的容量为88–94％，经过250个完整的放电循环后下降至73–84％。1500mAh的小袋包装用于手机。

由Cadex提供

尽管电池在使用的第一年内应提供100％的容量，但通常会发现电池容量低于规定的容量，并且保质期可能会造成这种损失。此外，制造商往往会夸大其电池，因为他们知道很少有用户会进行抽查并抱怨电池电量不足。不必像多单元电池组中那样匹配移动电话和平板电脑中的单电池，这为许多广泛的性能接受打开了闸门。容量较低的电池可能会在用户不知情的情况下穿过裂缝。

与机械设备在长时间使用后会很快磨损一样，放电深度（DoD）决定电池的循环次数。放电次数越少（DoD越小），电池寿命越长。尽可能避免完全放电，并在两次使用之间更频繁地给电池充电。锂离子部分放电是可以的。没有内存，电池不需要定期的完全放电循环以延长使用寿命。例外情况可能是对智能电池或智能设备上的电量计进行定期校准。

下表列出了钴基锂离子与应力相关的容量损失。磷酸铁锂和钛酸锂的电压较低，不适用于给定的参考电压。

注意：表2、3和4指出了普通钴基锂离子电池在放电深度，温度和充电水平上的总体老化趋势，表6进一步考察了在给定和放电带宽内工作时的容量损失。下表未解决超快速充电和高负载放电会缩短电池寿命的问题。没有所有电池的行为相同。

表2估计了在电池容量降至70％之前，锂离子在各种DoD级别下可以提供的放电/充电循环次数。DoD构成完全充电，然后放电到表中指示的荷电状态（SoC）级别。

锂离子电池循环寿命与放电深度的关系

表2：循环寿命与放电深度的关系。部分放电可减轻应力并延长电池寿命，部分充电也可以。高温和大电流也会影响循环寿命。

注意： 100％DoD是一个完整的周期；10％非常简短。以中间充电状态骑车将拥有最佳的寿命。

锂离子在暴露于热时会承受压力，因此将电池保持在高充电电压下也是如此。驻留在30°C（86°F）以上的电池被认为是高温，并且对于大多数锂离子电池而言，高于4.10V/电池的电压被视为高压。将电池置于高温下并长时间处于充满电状态会比循环更具压力。表3展示了容量损耗随温度和SoC的变化。

各种温度下储存锂离子一年时的估计可恢复容量

表3：在各种温度下储存锂离子一年时的估计可恢复容量。温度升高会导致永久容量损失。并非所有的锂离子系统都表现相同。

大多数锂离子电池充电至4.20V /电池，峰值充电电压每降低0.10V /电池，则循环寿命将延长一倍。例如，充电至4.20V /节的锂离子电池通常可提供300–500个循环。如果仅以4.10V / cell充电，则寿命可以延长到600–1000个周期。4.0V /单元应提供1200–2000个周期，而3.90V /单元应提供2400–4000个周期。

在负极，较低的峰值充电电压会降低电池的存储容量。作为简单的指导原则，充电电压每降低70mV，总容量就会降低10％。在随后的充电中施加峰值充电电压将恢复全部容量。

就寿命而言，最佳充电电压为3.92V/电池。电池专家认为，该阈值消除了所有与电压有关的应力；降低价格可能不会进一步获得好处，但会引发其他症状。表4总结了容量与电荷水平的关系。

锂离子电池放电周期和容量与充电电压极限的关系

表4：放电周期和容量与充电电压极限的关系。每下降0.10V低于4.20V/单元，循环次数将增加一倍，但容量将降低。将电压提高到4.20V / cell以上会缩短寿命。读数反映出常规锂离子电池充电至4.20V /电池。

准则：充电电压每下降70mV，可用容量就会降低约10％。

注意：就高比能量而言，部分充电会抵消锂离子电池的优势。

充满电后，具有不同电压水平的电池也适用类似的寿命周期。

以充满电后的100％容量的新电池为基础。

实验：瑞典查尔默斯科技大学报告说，使用降低的50％SOC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充电器可将锂离子电池充电至4.20V/电池。这允许最大的容量，因为使用者希望的就是最佳运行时间。另一方面，工业界更关注寿命，并可能选择较低的电压阈值。卫星和电动汽车就是这样的例子。

出于安全原因，许多锂离子电池不能超过4.20V。虽然较高的电压会提高容量，但超过此电压会缩短使用寿命并损害安全性。图5展示了周期计数与充电电压的关系。在4.35V电压下，普通锂离子的循环次数减少了一半。

锂离子电池周期计数与充电电压的关系

图5：充电电压升高对循环寿命的影响。较高的充电电压可提高容量，但会降低循环寿命并损害安全性。

资料来源：Choi等。

除了为给定的应用选择最适合的电压阈值外，常规锂离子也不应长时间保持在4.20V/电池的高压上限。锂离子充电器会关闭充电电流，并且电池电压会恢复到更自然的水平。这就像剧烈运动后放松肌肉。

图6说明了动态应力测试（DST），反映了在各种充电和放电带宽下循环锂离子电池时的容量损失。当将充满电的锂离子放电到25％的SoC（黑色）时，容量损失最大。如果完全放电，损失会更高。在85％到25％（绿色）之间循环可提供比充电到100％和放电到50％（深蓝色）更长的使用寿命。通过将锂离子充电至75％，然后放电至65％，可以实现最小的容量损失。但是，这不能充分利用电池。据说高压和暴露于高温下比正常条件下循环更快地降解电池。

锂离子电池容量损失随充放电带宽的变化

图6：容量损失随充放电带宽的变化。锂离子充放电只能部分延长电池寿命，但会降低利用率。

情况1：75–65％的SoC可以提供最长的循环寿命，但仅提供90000能量单位（EU）。消耗10％的电池电量。

情况2：75％到25％的SoC具有3000个周期（达到90％的容量），并提供150000 EU。消耗50％的电池电量。（EV电池，新的。）

情况3：85–25％的SoC具有2000个循环。提供120000欧盟。消耗60％的电池电量。

情况4：100–25％SoC；电池使用率达到75％的情况下，使用寿命长。寿命短。（手机，无人机等）

表2和图6之间的周期计数存在差异。除了假设电池质量和测试方法存在差异外，没有明确的解释可用。低成本消费级和耐用工业级之间的差异也可能起作用。与20ºC相比，高温下的容量保持率下降速度更快。

只有一个完整的周期才能提供电池的指定能量。使用现代的能量电池，功率约为250Wh/kg，但是循环寿命会受到影响。所有这些都是线性的，延长寿命的中间范围（85-25％）将能量降低到60％，这相当于将比能量密度从250Wh/kg降低到150Wh/kg。手机是利用电池全部能量的消费品。诸如EV之类的工业设备通常将充电限制为85％，将放电限制为25％或60％的能源可用性，以延长电池寿命。

增加循环深度也会增加锂离子电池的内部电阻。图7显示了使用直流电阻法测得的在61％的循环深度处的急剧上升。电阻的增加是永久的。

使用直流电阻法测得的在61％的循环深度处的急剧上升

图7：通过增加锂离子的循环深度，内部电阻急剧上升。

注意：DC方法提供的内部电阻读数与AC方法（绿色框）不同。为了获得最佳结果，请使用DC方法计算负载。

资料来源：慕尼黑工业大学（TUM）

图8通过使用外推程序推断图6的数据以扩展锂离子的预测循环寿命，该程序假定电池容量随着渐进式循环而线性衰减。如果这是真的，那么在14000次循环后，在75％–25％SoC（蓝色）内循环的锂离子电池将衰减至74％的容量。如果在相同的放电深度下将电池充电至85％（绿色），则在14000次循环时容量将下降至64％，而在具有相同DoD的情况下充电100％（黑色），容量将下降至48％。由于未知原因，现实生活中的期望值往往低于模拟模型。

通过外推法预测电池寿命