讲解不同正极材料锂电池容量特性

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。

二、放电倍率对放电容量的影响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。

三、电池温升对放电容量的影响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。

四、环境温度对放电容量的影响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。

五、循环次数对放电容量的影响图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。

六、结论

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， NMC电池容量更快衰减至额定容量的 80%。 （4）与LFP电池相比，NMC电池放电容量对温度更为敏感，并且在大放电倍率下，放电容量出现不单调性且温升变化显著。

编辑：jq