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探究了正极材料、 放电倍率、电池温升、环境温度和循环次数等五个参数对电池放电容量的影响。
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/ALEX
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Ydnxke
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锂电联盟会长
随着充放电循环次数的增加，电池容量将会不断衰减，当容量衰减至额定容量的75%~80%时，认为锂离子电池进入失效状态。
放电倍率、电池温升、环境温度对锂离子电池放电容量有较大影响。
本文对电池采用恒压恒流充电
、恒流放电
的充放电准则，将放电倍率、电池放电温升、环境温度依次作为变量和定量进行循环实验，分析不同正极材料下，放电倍率、电池放电温升、环境温度以及循环次数对锂离子电池放电容量的影响。
一、电池基本实验方案
正、负极材料不同，循环寿命差异较大，影响电池的容量特性。
磷酸铁锂(LFP)和镍钴锰三元材料(NMC)以其独特优势广泛用作锂离子二次电池的正极材料。
由表1可知，NMC电池的额定容量、标称电压、放电倍率值都高于LFP电池。
将
LFP和
NMC
的锂离子电池按照一定的恒流恒压充电、恒流放电规则进行充放电，
在充放电过程中记录充放电截止电压、放电倍率、电池温升、实验温度、电池容量的变化情况。
固定温度和充放电规则，将
LFP
电池和
NMC
电池按照
不同放电倍率
进行恒流放电。调整温度分别为：35
、
25
、
10
、
5
、
－
5
、
－
15
℃
。
由图
1
可知，相同温度下，通过增加放电倍率，
LFP
电池放电容量整体呈现衰减趋势。相同放电倍率下，低温变化对
LFP
电池放电容量影响较大。
当温度降到
0
℃
以下时，放电容量衰减严重并出现容量不可逆现象。
值得说明的是，
LFP
电池在低温和大放电倍率的双重影响下加重放电容量的衰减。相比
LFP
电池，
NMC
电池对温度更为敏感，放电容量随环境温度、放电倍率变化显著。
由图2可知，相同温度下，NMC电池放电容量整体呈现先衰减后回升的趋势。
相同放电倍率下，温度越低则放电容量越少。
随着放电倍率的升高，锂离子电池持续出现放电容量衰减现象，究其原因是由于极化严重，放电电压提前减小到放电截止电压，即放电时间缩短， 放电不充分，负极Li+ 没有脱嵌完全。
电池放电倍率在1.5 ～3.0时，放电容量开始显现不同程度的回升迹象。
由于反应的持续进行，电池本身的温度会随放电倍率的增加而显著升高，Li+热运动能力加强、扩散速度加快，使得 Li+脱嵌速度加快，放电容量回升。
由此得出，大放电倍率和电池本身温升的双重影响导致了电池的不单调现象。
NMC
电池在
30
℃
下分别进行
2.0
、
2.5
、
3.0
、
3.5
、
4.0
、
4.5C
放电实验，得出的放电容量与锂离子电池温升变化关系曲线如图
3
所示。
由图
3
可知，相同放电容量下，放电倍率越
高，温升变化越显著。在相同放电倍率下对恒流放电过程的三个时期进行分析可知，温度升高主要在放电初期和后期。
锂离子电池的最佳工作温度是25～40 ℃。
由表 2、表3对比可看出，当温度低于5℃时，两类电池放电迅速、放电容量显著减少。
低温实验后恢复高温，相同温度下，
LFP
电池放电容量减
137.1mAh
，
NMC
电池减少
47.8mAh
，但温升与放电时间并无改变。可见
LFP
热稳定性良好，仅在低温下表现出较差的耐受性，电池容量出现不可逆的衰减；而
NMC
电池对温度变化敏感。
图
4
为锂离子电池容量衰减曲线示意图，将放电容量在
0.8Q
记为电池失效点。随着充放电循环次数的增加，放电容量开始呈现衰减。
将
1600mAh
的
LFP
电池以充电
0.5C
放电
0.5C
进行充放电循环实验，共进行
600
次循环实验，以电池容量的
80%
作为电池失效判别标准。以
100
为间隔次数对放电容量及容量衰减相对误差的百分比进行分析，如图
5
所示。
将
2000mAh
的
NMC
电池以充电
1.0C
放电
1.0C
进行充放电循环实验，以电池容量的
80%
作为寿命截止时的电池容量。取前
700
次，以
100
为间隔次数对放电容量以及容量衰减相对误差的百分比进行分析，如图
6
所示。
LFP
电池和
NMC
电池在循环次数为
0
时的容量均为额定容量，但通常实际容量小于额定容量，故在第一个
100
次循环后，放电容量衰减严重。
LFP
电池循环寿命长，理论寿命是
1 000
次；
NMC
电池理论寿命是
300
次。经历相同的循环次数，
NMC
电池容量衰减速度较快；当循环次数为
600
时，
NMC
电池容量衰减接近失效阈值位置。
通过对锂离子电池进行充放电实验，以正极材料、放电倍率、电池温升、环境温度和循环次数五个参数作为变量，分析了容量相关特性与不同影响因素之间的关系，得出以下结论：
(1)
在电池额定温度范围内，适当的高温对
Li+
的脱嵌和嵌入有促进作用。尤其是对放电容量来说，放电倍率越大，生热速率越大，锂离子电池内部的电化学反应越明显。
(2)LFP
电池在充放电过程中对高温、放电倍率表现出较好的适应性；对低温有较差的耐受性，放电容量衰减严重，升温后不可恢复。
(3)
在相同的充放电循环次数下，
LFP
电池循环寿命长，
