影響聚合物鋰電池SOH的因素有哪些？聚合物鋰電池的廣泛應(yīng)用為人們的智能便利生活帶來了極大的改變，智能家居、智能生活、便捷出行等等，都離不開鋰離子電池的應(yīng)用。不過鋰電池屬于消耗品，長時間使用其健康狀態(tài)就會下降；電池健康狀態(tài)(SOH)評估對電池的使用、維護(hù)和經(jīng)濟(jì)性分析具有指導(dǎo)意義，然而電池的健康狀態(tài)評估缺少針對性的整理和總結(jié)。

聚合物鋰電池老化是一個長期過程，受溫度、電流倍率、截止電壓等多種因素影響。目前電池健康狀態(tài)的研究和建模分析等已有一定成果，相關(guān)的研究包括電池退化機(jī)理與老化因素分析、電池的健康管理、電池狀態(tài)監(jiān)測與估計、電池壽命預(yù)測等。然而聚合物鋰電池健康狀態(tài)評估方面仍缺少比較完善的歸納和綜述。本文從聚合物鋰電池健康狀態(tài)的定義、影響因素、評估模型、研究難點(diǎn)和研究意義五個方面介紹電池健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。

一、聚合物鋰電池SOH定義

電池SOH表征當(dāng)前電池相對于新電池存儲電能的能力，以百分比的形式表示電池從壽命開始到壽命結(jié)束期間所處的狀態(tài)，用來定量描述當(dāng)前電池的性能狀態(tài)。電池的性能指標(biāo)較多，國內(nèi)外對SOH有多種定義，概念上缺乏統(tǒng)一，目前SOH的定義主要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等幾個方面。

1、鋰電池容量定義SOH

采用電池容量衰減定義SOH的文獻(xiàn)最多，給出的 SOH定義如下：

式中：Caged為電池當(dāng)前容量；Crated為電池額定容量。

2、鋰電池電量定義SOH

用電量定義SOH與容量定義相似，因?yàn)殡姵氐念~定容量有實(shí)際有效容量和最大容量，電池的實(shí)際容量與標(biāo)稱額定容量有些差異，所以有文獻(xiàn)從電池放電電量的角度定義SOH。

式中：Qaged-max為當(dāng)前電池最大放電電量；Qnew-max為新電池最大放電電量。

3、鋰電池內(nèi)阻定義SOH

電池的內(nèi)阻增大是電池老化的重要表現(xiàn)，也是電池進(jìn)一步老化的原因，不少文獻(xiàn)采用內(nèi)阻定義SOH。

式中：REOL為電池壽命結(jié)束時的內(nèi)阻；Rc為當(dāng)前電池的內(nèi)阻；Rnew為新電池的內(nèi)阻。

4、鋰電池剩余循環(huán)次數(shù)定義SOH

除了采用容量和內(nèi)阻等電池性能指標(biāo)定義SOH外，也有文獻(xiàn)用電池剩余的循環(huán)次數(shù)定義電池的SOH。

式中：Cntremain為電池剩余循環(huán)次數(shù)；Cnttota為電池的總循環(huán)次數(shù)。

以上4種電池的SOH定義在文獻(xiàn)中較為常見。容量和電量定義可操作性強(qiáng)，但容量為電池的外在表現(xiàn)，而內(nèi)阻和剩余次數(shù)定義的可操作性不強(qiáng)，內(nèi)阻與SOC、溫度有關(guān)，不易測量， 剩余循環(huán)次數(shù)和總循環(huán)次數(shù)無法準(zhǔn)確預(yù)測。

二、影響聚合物鋰電池SOH的因素有哪些？

近年來，國內(nèi)外有很多文獻(xiàn)研究鋰電池老化機(jī)理和規(guī)律， 普遍認(rèn)為鋰離子沉積、SEI膜增厚和活性物質(zhì)損失等是造成電池老化和容量衰減的主要原因。聚合物鋰電池的濫用會加速電池老化，電池的正常充放也會影響電池健康狀態(tài)，加速電池老化。

1、溫度對鋰電池SOH的影響 

溫度通常被認(rèn)為是影響電池健康狀態(tài)的主要因素，溫度對電池的性能有雙重影響，一方面高溫會加快電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度，提升電池的效率和性能，同時高溫也會加速一些不可逆的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，造成電池的活性物質(zhì)減少，引起電池的老化和容量衰減。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明高溫會加快電池電極的SEI膜增長，鋰離子穿透SEI膜難度增加，等效為電池內(nèi)阻增大。

2、充放電電流倍率對鋰電池SOH的影響 

充放電倍率會影響電池的壽命，以三種不同放電倍率對18650 電池進(jìn)行300次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其電池容量分別衰減9.5%、13.2%和16.9%，電池內(nèi)阻分別增加12.4%、18.3%和27.7%，同時高倍率放電會在電池內(nèi)部產(chǎn)生更多的熱量，加速電池老化，電子顯微鏡下觀察到高倍率電池放電的電極表面SEI膜比低倍率放電的要厚。

3、放電深度對鋰電池SOH的影響

電池充放電深度對電池健康和老化有影響，有觀點(diǎn)認(rèn)為電池有累計的總轉(zhuǎn)移能量，基于總轉(zhuǎn)移能量進(jìn)行電池的容量衰減和老化分析。高飛等通過對鋰電池不同放電深度的循環(huán)測試，分析電池的累積轉(zhuǎn)移能量與電池容量衰減之間的關(guān)系，得出電池容量衰減到85%之前，電池累計轉(zhuǎn)移的能量在深充深放與淺充淺放這兩種模式下基本相同，當(dāng)電池容量衰減到85%~75%時，電池累計轉(zhuǎn)移的能量和能量效率上深充深放模式都優(yōu)于淺充淺放的模式。

4、循環(huán)區(qū)間對鋰電池SOH的影響 

電池充放電循環(huán)區(qū)間也會影響電池老化過程，循環(huán)區(qū)間不同對應(yīng)的充放電電池內(nèi)阻不一樣，因此循環(huán)過程中電池發(fā)熱和反應(yīng)略有不同，長期將影響電池的健康和老化。因此有專家建議電池SOC范圍在20%~80%，這樣有利于電池健康和循環(huán)壽命。

5、充放電截止電壓對鋰電池SOH的影響 

電池的過充和過放都會對電池健康產(chǎn)生影響，不恰當(dāng)?shù)碾妷荷舷藓碗妷合孪迣﹄姵囟加杏绊?。放電截止電壓越低，電池?nèi)阻越大，造成電池內(nèi)部發(fā)熱，同時引起副反應(yīng)增加，電池活性物質(zhì)減少和負(fù)極石墨片層出現(xiàn)塌陷，電池加速老化和容量衰減。過高的充電截止電壓引起電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部發(fā) 熱增加，過度充電引起負(fù)極產(chǎn)生“析鋰”現(xiàn)象以及相應(yīng)的副反應(yīng)增加，影響電池的容量和老化。

綜上，聚合物鋰電池運(yùn)行的溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區(qū)間和充放電截止電壓等都會對電池的健康狀態(tài)和壽命產(chǎn)生影響。目前，聚合物鋰電池健康狀態(tài)影響因素研究處于定性研究階段，這些影響因素對電池老化的定量分析以及各因素相互耦合關(guān)系是研究的難點(diǎn)，也是未來電池健康和壽命研究熱點(diǎn)。

三、聚合物鋰電池SOH評估模型

聚合物鋰電池的健康狀態(tài)無法通過直接測量獲取，電池健康狀態(tài)可通過模型評估得到，電池的老化和健康受多種因素共同影響，目前鋰電池的健康狀態(tài)評估模型主要有電化學(xué)模型、等效電路模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿N。

1、電化學(xué)模型

電化學(xué)模型從電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理出發(fā)分析電池運(yùn)行 過程中的健康狀態(tài)變化，考慮電池的老化因素對電池內(nèi)外部狀態(tài)變量(溫度、電流倍率、截止電壓等)的影響。鋰電池電化學(xué)模型研究包括基于SEI機(jī)理模型、電化學(xué)第一原理模型、單因子和多因子綜合電化學(xué)模型的復(fù)雜電化學(xué)模型等。

2、等效電路模型

等效電路模型從電池的電工學(xué)角度，結(jié)合大量狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，將鋰電池等效為一個基本的電路模型，用電路模型進(jìn)行電池的健康狀態(tài)評估。鋰電池基本等效電路模型有Rint模型、RC模型和Thevenin模型 3種，PNGV模型和GNL模型是在Thevenin等效電路模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的模型。

3、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、擬合、試湊、經(jīng)驗(yàn)公式和統(tǒng)計處理來獲取電池性能狀態(tài)的變化，總結(jié)出電池的健康狀態(tài)變化規(guī)律，主要有電池阻抗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗姵厝萘抗烙嫿?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/span>

四、鋰電池SOH研究的困難 

聚合物鋰電池的健康狀態(tài)和壽命研究越來越受重視，然而電池的SOH研究還處于初級狀態(tài)，主要有以下三個原因。

1、研究周期長，實(shí)驗(yàn)條件控制嚴(yán)

鋰電池的循環(huán)壽命周期長，電池的老化實(shí)驗(yàn)周期很長，在測試過程中，溫度、充放電電流和充放電截止電壓等需要嚴(yán)格控制，并且每隔一定時間需要對電池的老化情況進(jìn)行評估。

2、鋰電池內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控和分析困難

鋰電池的SOH研究涉及電池內(nèi)部狀態(tài)變量，如電化學(xué)模型中電池內(nèi)部溫度、電解液濃度和內(nèi)阻等狀態(tài)，而電池的內(nèi)部狀態(tài)準(zhǔn)確監(jiān)控非常困難，還需要對這些狀態(tài)變量進(jìn)行定量分析，這使得電池的SOH研究需要解決的問題難度大。

3、各種影響因素耦合

電池運(yùn)行的溫度、充放電倍率和放電深度等都是影響電池老化和壽命的因素，而且這些因素是共同作用的，電池SOH的研究要求各種影響因素進(jìn)行解耦。然而這些因素是相互關(guān)聯(lián)的，解耦條件難以控制，目前很難進(jìn)行解耦分析。

五、鋰電池SOH研究意義 

電池SOH研究難度大，進(jìn)展緩慢，但是SOH研究對電池的使用、維護(hù)和評估有很高價值，可為規(guī)劃、政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)和參考，具有重要的意義

1、對電池管理的意義

電池管理系統(tǒng)估算電池荷電狀態(tài)和剩余電量與電池的容量有關(guān)，若電池管理系統(tǒng)能掌握電池的老化規(guī)律和健康狀態(tài)，將有助于其做好電池全壽命周期的電池管理。

2、對電池使用和維護(hù)的意義

SOH研究有利于掌握電池老化影響因素，為電池的使用和維護(hù)提供理論指導(dǎo)。對電池的使用和維護(hù)而言，了解影響電池老化的因素可減少高低溫以及過充過放等有損電池使用的情況；知悉電池當(dāng)前的健康狀態(tài)，可幫助判斷電池的內(nèi)在隱患和壽命情況，為電池維護(hù)和更換提供參考。

3、對電池經(jīng)濟(jì)性評估的意義

SOH的準(zhǔn)確評價對電池的經(jīng)濟(jì)性評估有重要意義，鋰電池的應(yīng)用場景、使用方式和維護(hù)手段不同造成電池的壽命差異，使電池的使用成本、經(jīng)濟(jì)效益等經(jīng)濟(jì)性評估有差別。通過SOH研究建立電池的老化模型，為分析電池的經(jīng)濟(jì)性提供數(shù)據(jù)支撐，將為企業(yè)投資決策、政府政策制定和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供有效輔助。

以上，就是本期鋰電池健康狀態(tài)的定義、影響因素、評估模型、研究難點(diǎn)和研究意義五個方面介紹電池健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。電池SOH研究難度很大，進(jìn)展緩慢，但是SOH研究對電池的使用、維護(hù)和評估有很高價值，可為規(guī)劃、政策和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)和參考，具有重要的意義，未來，聚合物鋰電池SOH研究還有很長一段路要走。

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