鉅大LARGE | 點擊量：1152次 | 2021年04月07日
新舊鋰離子電池比較，只是容量小了點而已嗎
工信部2015年五月公布的動力鋰電池安全標準，詳細規定了動力鋰電池安全測試中濫用類型，過充，過放，短路，跌落，加熱，溫度沖擊，海水浸泡等項目，這些項目都是針對新出廠電芯設置的測試，已經有很多廠家的產品能夠經受考驗，全面過關。
作為一種電化學電源，隨著循環老化的發展，鋰離子電池自身特性一直在發生變化，壽命中后期的電芯與新電芯的能力存在巨大差異。
下圖來自一份研究文獻，比較新舊電芯的充放電情形。圖中所謂壽命中期的電池是指剩余容量84%的電芯。圖中反映了幾個基本參數的變化，充電電壓，充電恒壓過程，容量，放電電壓。除此以外，新舊電芯在開路電壓、內阻、耐低溫能力、熱失控風險諸多方面都存在差異。
1充放電電壓
處于相同電量狀態，舊電芯充電電壓高而放電電壓低。原因在于舊電芯的極化內阻和歐姆內阻都有所新增。充電時，充電電壓等于電芯電勢加上內阻占壓，舊電芯內阻占壓大，使得充電電源必須抬高充電電壓才能將電量充入。放電時，放電電壓等于電芯電勢減去內阻占壓，舊電芯內阻占壓占用了部分電芯電勢，放電電流越大，現象越明顯。這使得能夠向外部供應的電壓降低，也是造成電芯在壽命中后期，電池功率特性下降的一個原因。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2充電恒壓過程
新電芯進入恒壓充電狀態晚而舊電芯進入恒壓狀態早，恒流充電時間長，使得新電芯相對的充電速度比較快。原因與前一段的分析類似，依然是內阻占壓出現的影響，舊電芯較早的被內阻抬高了端電壓，很快達到充電程序設置的恒壓值，進入恒壓充電階段。恒壓充電的電流隨著電量的新增在遞減。
3容量
作為衡量電芯老化的直接參數，舊電芯的剩余容量表征其老化程度。假如追究電芯容量衰減的內部原因，大體可以這樣表述：
在長期使用過程中，正極材料部分的溶解、坍塌，晶格被副反應產物堵塞，使得能夠容納鋰離子的空位越來越少；
石墨負極，表面的SEI膜隨著反復的循環使用、高低溫環境的侵害等，其厚度越來越大，消耗負極材料和活性鋰離子沉積成鈍化膜的同時，新增了鋰離子穿越的難度。老化的SEI膜，出現越來越多的缺陷，使得電解液得以直接接觸負極材料，進一步生成鈍化膜。能夠嵌鋰的負極材料減少和鋰離子的消耗，都會帶來容量的永久損失。
電解液，在循環使用過程中，電解液除了與正負極材料反映，還會與鐵、銅等雜質反映，自己的分解反應，總體上消耗活性成分，使得其導電能力越來越差，電芯容量降低。
以上都是正常使用過程中，日積月累的容量損失原因。
4開路電壓
新舊電芯的開路電壓存在明顯差異，舊電芯到了一定階段，再也無法達到新電芯的電壓值。問題依然出在導電活性物質的減少上。正負極之間電勢差的極限是由正負極材料決定的，但電勢的出現要依靠帶電鋰離子的聚集。活性離子減少，沒有了原來數量的鋰離子聚集在負極，開路電壓自然下降了。
5內阻
內阻也是電芯壽命的一個指標，內阻的新增直接影響電芯的功率特性。究其原因，與容量的影響因素基本重合，正負極材料和活性離子的消耗，造成了內阻的新增。
6耐低溫能力
有研究人員針對新舊電芯應對低溫循環的能力做了實驗比較。舊電芯經歷10個常溫循環周期，-10℃環境下50個循環，最后再用30個循環對電芯容量進行激活。結果如下圖所示。
舊電芯低溫循環后的容量變化
舊電芯的容量在低溫循環過程中急劇下降，并在50個低溫循環后只剩余了20%左右容量。而激活循環對容量的恢復用途相當微弱。
新電芯進行類似的循環過程，甚至低溫循環次數更多，環境溫度更低。電芯容量在低溫循環時也損失了大半，但在經歷激活循環后，電芯容量基本得到了恢復。
新電芯低溫循環后的容量變化
實驗后，針對舊電芯的解剖過程發現，大量的鋰離子充滿了正極材料內部，負極內部和表面都分布著大量鋰離子和鋰單質。
原因分析如下，舊電池，正負極及電極表面的固液相隔膜，結構都發生了老化。老化體現在對低溫性能的影響上，就是電池內部亂了，離子的進出路徑不順暢了。無論是電極材料結構的坍塌溶解，還是副反應產物的附著堵塞，或是隔膜的增厚，不規則缺陷等，最終的情形都是嵌鋰位置通往電解液的路徑要么被堵死，要么變得障礙重重。讓人想到年久失修的老房子灰蒙蒙的氣息。
同時，低溫下，鋰離子的活性變差，本來就沒有太多力氣，什么東西擋一擋，干脆卡在那不動了。大家一邊卡住自身，一邊更是擋住了后來者的通道。如此惡性循環，越堵越死，有沒有聯想到帝都的什么景觀，三環停車場之類的。以至于，恢復到常溫，再怎么激活，活性離子也挪不動地方了。
7熱失控風險
舊電池的熱失控風險，重要體現在析鋰問題和SEI膜溶解溫度下降兩個方面。
電池在長期使用中，都有或多或少的違規操作。有資料顯示，舊電池很大比例存在著不同程度的析鋰現象。析鋰，指在負極表面有鋰金屬單質的生成和堆積。
鋰枝晶（D是局部放大圖）li
造成析鋰的重要原因有三個，一是低溫充電，二充電電流過大，三充電電壓過高。本質上，都是給負極周圍供應了過多的鋰離子，而負極SEI膜的通過能力沒有那么高，來不及通過的鋰離子堆積在電極表面，生成金屬晶體。
鋰單質一旦形成很難自行消融，一直堆積在那里，等待后來者繼續添磚加瓦。
鋰單質的存在關于鋰離子電池來說是嚴重的安全風險來源。一方面，鋰的枝晶生長，會穿過隔膜，造成正負極短路；另一方面，鋰單質的活性極高，100℃左右就可以發生反應，并且反應過程劇烈放熱。
有研究稱，析鋰是老化電池發生熱失控的重要原因。
除了析鋰明確的影響熱失控風險以外，SEI膜老化后的溶解溫度降低，使得熱失控的溫度起點也明顯提前。
SEI膜是負極材料與電解液初始反應生成的保護膜，最初是薄而均勻的。老化過程中，一方面膜厚度在新增，另一方面，結構在發生著變化，缺陷在不斷涌現。結構退化和缺陷帶來了溶解溫度的降低。
再考慮增大的內阻生熱，模組連接點老化后的節點電阻生熱，老化電芯的總體熱失控風險必然高于新電芯。
新舊電池特性的差異，帶來多方面的問題。電池管理系統SOC估算，系統安全措施設計，舊電池退役以及退役后的再利用等等。
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