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電極材料理論容量，即假定材料中鋰離子全部參與電化學(xué)反應(yīng)所能夠提供的容量，其值通過下式計算： 其中，法拉第常數(shù)(F)代表每摩爾電子所攜帶的電荷，單位C/mol，它是阿伏伽德羅數(shù)NA=6.02214 ×1023mol-1與元電荷e=1.602176 × 10-19 C的積，其值為96485.3383±0.0083 C/mol 故而，主流的材料理論容量計算公式如下: LiFePO4摩爾質(zhì)量157.756 g/mol，其理論容量為： 同理可得：三元材料NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩爾質(zhì)量為96.461g/mol，其理論容量為278 mAh/g,LiCoO2摩爾質(zhì)量97.8698 g/mol，如果鋰離子全部脫出，其理論克容量274 mAh/g. 石墨負(fù)極中，鋰嵌入量最大時，形成鋰碳層間化合物，化學(xué)式LiC6，即6個碳原子結(jié)合一個Li。6個C摩爾質(zhì)量為72.066 g/mol，石墨的最大理論容量為： 對于硅負(fù)極，由5Si 22Li 22e- ? Li22Si5 可知， 5個硅的摩爾質(zhì)量為140.430 g/mol，5個硅原子結(jié)合22個Li，則硅負(fù)極的理論容量為： 這些計算值是理論的克容量，為保證材料結(jié)構(gòu)可逆，實際鋰離子脫嵌系數(shù)小于1，實際的材料的克容量為：材料實際克容量=鋰離子脫嵌系數(shù) × 理論容量 電池設(shè)計容量=涂層面密度×活物質(zhì)比例×活物質(zhì)克容量×極片涂層面積 其中，面密度是一個關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)，主要在涂布和輥壓工序控制。壓實密度不變時，涂層面密度增加意味著極片厚度增加，電子傳輸距離增大，電子電阻增加，但是增加程度有限。厚極片中，鋰離子在電解液中的遷移阻抗增加是影響倍率特性的主要原因，考慮到孔隙率和孔隙的曲折連同，離子在孔隙內(nèi)的遷移距離比極片厚度多出很多倍。 負(fù)極活性物質(zhì)克容量×負(fù)極面密度×負(fù)極活性物含量比÷（正極活性物質(zhì)克容量×正極面密度×正極活性物含量比） 石墨負(fù)極類電池N/P要大于1.0，一般1.04~1.20，這主要是出于安全設(shè)計，主要為了防止負(fù)極析鋰，設(shè)計時要考慮工序能力，如涂布偏差。但是，N/P過大時，電池不可逆容量損失，導(dǎo)致電池容量偏低，電池能量密度也會降低。 而對于鈦酸鋰負(fù)極，采用正極過量設(shè)計，電池容量由鈦酸鋰負(fù)極的容量確定。正極過量設(shè)計有利于提升電池的高溫性能：高溫氣體主要來源于負(fù)極，在正極過量設(shè)計時，負(fù)極電位較低，更易于在鈦酸鋰表面形成SEI膜。 在生產(chǎn)過程中，電池極片的涂層壓實密度計算公式： 而考慮到極片輥壓時，金屬箔材存在延展，輥壓后涂層的面密度通過下式計算： 涂層由活物質(zhì)相、碳膠相和孔隙組成，孔隙率計算公式： 其中，涂層的平均密度為： 首效=首次放電容量/首次充電容量 日常生產(chǎn)中，一般是先化成再進(jìn)行分容，化成充入一部分電，分容補充電后再放電，故而： 首效=分容第一次放電容量/（化成充入容量 分容補充電容量） 體積能量密度(Wh/L)=電池容量(mAh)×3.6(V)/（厚度(cm)*寬度(cm)*長度(cm)） 質(zhì)量能量密度(Wh/KG)=電池容量(mAh)×3.6(V)/電池重量
能量密度（Wh/L&Wh/kg） 單位體積或單位質(zhì)量電池釋放的能量，如果是單位體積，即體積能量密度（Wh/L），很多地方直接簡稱為能量密度；如果是單位質(zhì)量，就是質(zhì)量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。如一節(jié)鋰電池重300g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其比能量為123Wh/kg。 根據(jù)2016年發(fā)布的“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)，可以大概對動力電池發(fā)展趨勢有一個概念，如上圖所示，到2020年，純電動汽車電池單體比能量要達(dá)到350Wh/kg。 功率密度（W/L&W/kg） 將能量除以時間，便得到功率，單位為W或kW。同樣道理，功率密度是指單位質(zhì)量（有些地方也直接叫比功率）或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。比功率是評價電池是否滿足電動汽車加速性能的重要指標(biāo)。 比能量和比功率究竟有什么區(qū)別？ 舉個形象的例子：比能量高的動力電池就像龜兔賽跑里的烏龜，耐力好，可以長時間工作，保證汽車?yán)m(xù)航里程長。 比功率高的動力電池就像龜兔賽跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬間電流，保證汽車加速性能好。 電池放電倍率（C） 放電倍率是指在規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量（Q）時所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。即充放電電流（A）/額定容量（Ah），其單位一般為C(C-rate的簡寫)，如0.5C，1C，5C等。 舉個例子，對于容量為24Ah電池來說： 用48A放電，其放電倍率為2C，反過來講，2C放電，放電電流為48A，0.5小時放電完畢; 用12A充電，其充電倍率為0.5C，反過來講，0.5C充電，充電電流為12A，2小時充電完畢; 電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。 荷電狀態(tài)（%） SOC，全稱是StateofCharge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。 其取值范圍為0~1，當(dāng)SOC=0時表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)（BMS）就是主要通過管理SOC并進(jìn)行估算來保證電池高效的工作，所以它是電池管理的核心。 目前SOC估算主要有開路電壓法、安時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等，我們以后再詳細(xì)解讀。 內(nèi)阻 內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部受到的阻力。 包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，其中：歐姆內(nèi)阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻；極化內(nèi)阻包括電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。 用數(shù)據(jù)說話，下圖表示一電池放電曲線，X軸表示放電量，Y軸表示電池開路電壓，電池理想放電狀態(tài)為黑色曲線，紅色曲線是考慮到電池內(nèi)阻時的真實狀態(tài)。 圖示：Qmax為電池最大化學(xué)容量；Quse為電池實際容量；Rbat表示電池的內(nèi)阻；EDV為放電終止電壓；I為放電電流。 從圖中可以看出，電池實際容量Quse<電池理論上的最大化學(xué)容量Qmax。 由于電阻的存在，電池的實際容量會降低。我們也可以看到，電池實際容量Quse取決于兩個因素： 放電電流 I 與電池內(nèi)阻 R 的乘積，以及放電終止電壓EDV是多少。 需要指出的是電池內(nèi)阻Rbat會隨著電池的使用而逐漸增大。 內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(mΩ)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，會造成電池的加速老化和壽命衰減，同時也會限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以，內(nèi)阻做的越小，電池的壽命和倍率性能就會越好。通常電池內(nèi)阻的測量方法有交流和直流測試法。 電池自放電 指在開路靜置過程中電壓下降的現(xiàn)象，又稱電池的荷電保持能 一般而言，電池自放電主要受制造工藝、材料、儲存條件的影響。 自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種：容量損失可逆，指經(jīng)過再次充電過程容量可以恢復(fù)；容量損失不可逆，表示容量不能恢復(fù)。 目前對電池自放電原因研究理論比較多，總結(jié)起來分為物理原因（存儲環(huán)境，制造工藝，材料等）以及化學(xué)原因（電極在電解液中的不穩(wěn)定性，內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活性物質(zhì)被消耗等），電池自放電將直接降低電池的容量和儲存性能。 電池的壽命 分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。即在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進(jìn)行充放電，計算電池容量衰減到80%時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。 日歷壽命是指電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過特定的使用工況，達(dá)到壽命終止條件(容量衰減到80%)的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結(jié)合的，通常需要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲間隔等。 循環(huán)壽命是一個理論上的參數(shù)，而日歷壽命更具有實際意義。但日歷壽命的測算復(fù)雜，耗時長，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。
上圖為某三元鋰電池的充放電特性圖，可以看出，不同的充放電方式對電池的壽命影響不一樣，如上圖數(shù)據(jù)，以25%-75%充放電的壽命可以達(dá)到2500次，即我們所說的電池淺充淺放。電池壽命這個話題我們以后還會深入討論。 電池組的一致性 這個參數(shù)比較有意思，即使是同一規(guī)格型號的電池單體在成組后，電池組在電壓、容量、內(nèi)阻、壽命等性能有很大的差別，在電動汽車上使用時，性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池的原有水平。 單體電池在制造出來后，由于工藝的問題，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不完全一致，本身存在一定性能差異。 初始的不一致隨著電池在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)而累計，再加上電池組內(nèi)的使用環(huán)境對于各單體電池也不盡相同，導(dǎo)致各單體電池狀態(tài)產(chǎn)生更大的差異，在使用過程中逐步放大，從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。 需要指出的是，動力電池組的性能決定于電池單體的性能，但絕不是單體電池性能的簡單累加。由于單體電池性能不一致的存在，使得動力電池組在電動汽車上進(jìn)行反復(fù)使用時，產(chǎn)生各種問題而導(dǎo)致壽命縮短。 除了要求在生產(chǎn)和配組過程中，嚴(yán)格控制工藝和盡量保持單體電池的一致性外，目前行業(yè)普遍采用帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)來控制電池組內(nèi)電池的一致性，以延長產(chǎn)品的使用壽命。 化成 電池制成后，需要對電芯進(jìn)行小電流充電，將其內(nèi)部正負(fù)極物質(zhì)激活，在負(fù)極表面形成一層鈍化層——SEI（solidelectrolyteinterface）膜，使電池性能更加穩(wěn)定，電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實的性能，這一過程稱為化成。 化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高，化成容量是篩選合格電池的重要指標(biāo)。下圖為SEI膜，像不像黑色的玫瑰花。
來源：中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會。版權(quán)歸原作者所有。 |
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