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        影響儲(chǔ)能磷酸鐵鋰電池壽命因素分析

        2023-10-24 01:25:13李盼盼
        時(shí)代汽車(chē) 2023年17期
        關(guān)鍵詞:影響因素

        李盼盼

        摘 要:磷酸鐵鋰電池是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件之一,其壽命是儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品重要指標(biāo)。本文章重點(diǎn)分析了儲(chǔ)能磷酸鐵鋰電池在不同使用工況下的老化機(jī)理,并從電芯設(shè)計(jì)、電芯制造及應(yīng)用多個(gè)維度分析了延長(zhǎng)磷酸鐵鋰電池壽命的關(guān)鍵因素及最佳使用參數(shù),為長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)支持。

        關(guān)鍵詞:儲(chǔ)能系統(tǒng) 磷酸鐵鋰電池 老化機(jī)理 壽命 影響因素

        1 引言

        在全球碳達(dá)峰和中和目標(biāo)下,光伏、風(fēng)電將成為清潔能源的主力。但是,新能源發(fā)電具有不穩(wěn)定性、隨機(jī)性、間歇性的問(wèn)題,對(duì)電網(wǎng)頻率控制提出了更高的要求。因此,在新型電力系統(tǒng)中,儲(chǔ)能將成為重要的一環(huán),是新能源消納以及電網(wǎng)安全保障必要保障。

        儲(chǔ)能可以提升電網(wǎng)輸出與負(fù)荷匹配度,降低電網(wǎng)輸出波動(dòng),減少電能損耗,提升能源利用效率。由于鋰電池具有能量密度大、沒(méi)有記憶效應(yīng)、充放電快速、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),最近幾年,磷酸鐵鋰電池電化學(xué)儲(chǔ)能被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電光伏等新能源發(fā)電側(cè)配儲(chǔ)和用戶側(cè)儲(chǔ)能。

        磷酸鐵鋰電池壽命是儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一,目前鋰電池要滿足20年質(zhì)保要求。研究表明磷酸鐵鋰電池壽命受多因素影響,分析磷酸鐵鋰電池老化機(jī)理及不同因素對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的影響,識(shí)別延長(zhǎng)磷酸鐵鋰電池壽命的關(guān)鍵因素及最佳參數(shù),對(duì)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要意義。

        2 磷酸鐵鋰電池老化機(jī)理

        鋰電池由正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜等多個(gè)部分組成,其容量衰減涉及到一系列的物理和化學(xué)變化。

        根據(jù)資料調(diào)研和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),本文章總結(jié)分析了磷酸鐵鋰電池性能衰減機(jī)理及其影響模式,結(jié)果如圖1所示。影響磷酸鐵鋰電池性能衰減的因素主要包括運(yùn)行時(shí)間、溫度、荷電態(tài)、電流、機(jī)械壓力等[1,2]。其中,時(shí)間主要影響SEI膜的生長(zhǎng);高溫影響SEI膜的生長(zhǎng)和分解、電解液和粘結(jié)劑的分解;低溫會(huì)導(dǎo)致金屬鋰的析出;高荷電態(tài)除了產(chǎn)生高溫同樣的影響外,還會(huì)導(dǎo)致石墨的剝離和析鋰;低荷電態(tài)影響SEI膜的分解和集流體的腐蝕;電流密度的大小主要影響石墨的剝離、正極材料結(jié)構(gòu)及SEI膜的結(jié)構(gòu);機(jī)械壓力主要影響材料顆粒的結(jié)構(gòu)及物質(zhì)間的電接觸性能,并且機(jī)械壓力過(guò)大還會(huì)引發(fā)析鋰風(fēng)險(xiǎn)。

        總而言之,鋰電池容量損失主要原因是活性鋰損失、正負(fù)極材料損失及內(nèi)阻增大三個(gè)方面。其中,負(fù)極析鋰及SEI膜的分解影響活性鋰的損失;石墨的剝離、電極材料結(jié)構(gòu)變化、正極材料結(jié)構(gòu)的無(wú)序、電極顆粒破裂、過(guò)渡金屬的溶出以及集流體的腐蝕影響正負(fù)極性能發(fā)揮。

        3 延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命關(guān)鍵因素

        影響儲(chǔ)能系統(tǒng)磷酸鐵鋰電池壽命的關(guān)鍵因素包括長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池開(kāi)發(fā)、磷酸鐵鋰電池一致性管控及儲(chǔ)能儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用條件。其中,長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池開(kāi)發(fā)與磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)和磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)工藝強(qiáng)相關(guān);儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用條件主要包括儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)條件和儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行條件。

        本文章重點(diǎn)從磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、應(yīng)用幾方面分析了對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命影的影響,識(shí)別延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的最佳參數(shù),指導(dǎo)長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

        3.1 磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)

        磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)是磷酸鐵鋰電池開(kāi)發(fā)的重要環(huán)節(jié),不同性能磷酸鐵鋰電池的開(kāi)發(fā)需匹配對(duì)應(yīng)的材料體系及不同的設(shè)計(jì)配方。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化分析了長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池開(kāi)發(fā)對(duì)主材和設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。

        3.1.1 磷酸鐵鋰電池主材

        磷酸鐵鋰電池主材包括正極材料、負(fù)極材料、電解液及隔膜,長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池對(duì)主材選擇策略要求:正極材料選用高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的正極材料(通過(guò)元素參雜和碳包覆實(shí)現(xiàn));負(fù)極材料選用低膨脹系數(shù)及合適顆粒尺寸的石墨,可以減少顆粒破碎及對(duì)SEI膜的破壞;電解液選用含有成膜添加劑和合適鹽濃度的電解液,提高SEI膜的穩(wěn)定性;隔膜選用涂膠隔膜,減少極片褶皺,提高循環(huán)性能。

        3.1.2 磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)參數(shù)

        影響磷酸鐵鋰電池壽命的磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括漿料配方、極片面密度、極片壓實(shí)、N/P比、群裕度及注液量。長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化要求分別是:增加導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑的用量,減少循環(huán)過(guò)程中極片掉料;降低極片涂布面密度,縮短鋰離子傳輸通道,正極面密度≤380g/m2;降低極片壓實(shí)密度,增加極片孔隙率,正極壓實(shí)≤2.55g/cc,負(fù)極壓實(shí)≤1.58g/cc;增加N/P,減少負(fù)極析鋰的風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)N/P≥1.12;選擇合適的群裕度,范圍:85-92%(方型磷酸鐵鋰電池);增加注液量,注液系數(shù)≥4.0g/Ah。

        3.2 磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)

        3.2.1 環(huán)境

        磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)對(duì)環(huán)境粉塵及水分有嚴(yán)格的要求,因?yàn)榉蹓m和水分會(huì)影響磷酸鐵鋰電池自放電、壽命和安全性能,長(zhǎng)壽命磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的要求。環(huán)境水分超標(biāo)會(huì)影響極片及電解液的穩(wěn)定性,同時(shí)會(huì)影響SEI膜的穩(wěn)定性,目前注液工序露點(diǎn)控制≤-36℃,粉塵清潔度≤10萬(wàn)級(jí)。

        3.2.2 生產(chǎn)工藝

        磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)工藝復(fù)雜,從投料到磷酸鐵鋰電池成品下線需要14天左右。影響磷酸鐵鋰電池壽命的關(guān)鍵制成工藝要求:正極極片壓花可以減少極片褶皺,減少循環(huán)過(guò)程中負(fù)極析鋰及黑斑,提升磷酸鐵鋰電池循環(huán)性能,目前大部分磷酸鐵鋰電池廠已導(dǎo)入壓花工藝;卷芯熱壓參數(shù)熱壓壓力和時(shí)間會(huì)影響磷酸鐵鋰電池界面,影響循環(huán);烘烤時(shí)間及溫度影響磷酸鐵鋰電池內(nèi)部水分含量,目前正負(fù)極片水分標(biāo)準(zhǔn):正極片水分≤350ppm,負(fù)極片水分≤250ppm;化成工藝影響磷酸鐵鋰電池SEI膜的穩(wěn)定性,是磷酸鐵鋰電池廠關(guān)鍵核心工藝,每家磷酸鐵鋰電池廠化成工藝各不相同,根據(jù)成膜機(jī)理,目前化成工藝都選用小電流(0.1C左右)和高溫(45℃)化成;疊片工藝相對(duì)于卷繞工藝,可以減少因極卷變形和R角析鋰等造成的容量損失,從而提升循環(huán)壽命;預(yù)鋰化可以補(bǔ)充磷酸鐵鋰電池循環(huán)過(guò)程中損失的活性鋰離子,提高循環(huán)壽命。

        3.3 磷酸鐵鋰電池不一致性

        磷酸鐵鋰電池不一致性的表現(xiàn)主要包括容量、內(nèi)阻、自放電率、壽命、荷電狀態(tài)(SOC)及工作電壓的差異。研究表明,電池不一致性產(chǎn)生的原因主要包括生產(chǎn)制造過(guò)中的差異和使用條件不一致,在實(shí)際應(yīng)用中這兩方面相互影響,逐漸增大電池不一致性[3]。

        單體不一致性對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的影響有以下幾個(gè)方面:電池成組使用后,由于電池自身性能的差異,儲(chǔ)能系統(tǒng)整體充放電時(shí),會(huì)導(dǎo)致各單體電流、放電深度等不同,這會(huì)導(dǎo)致電池性能衰減速度不同,從而可能導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)提前失效;儲(chǔ)能系統(tǒng)中很難保證單體電池之間的熱交換條件一致,溫度太高和太低都會(huì)對(duì)壽命產(chǎn)生不利的影響。上述因素在磷酸鐵鋰電池實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中相互耦合,進(jìn)一步加劇電池容量衰減。

        所以為了實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的目標(biāo),需從磷酸鐵鋰電池來(lái)料管控、儲(chǔ)能系統(tǒng)溫度管理、均衡策略等方面研究和優(yōu)化。

        3.4 磷酸鐵鋰電池及儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)

        磷酸鐵鋰電池及儲(chǔ)能系統(tǒng)日歷壽命與存儲(chǔ)的時(shí)間、SOC、溫度強(qiáng)相關(guān)。磷酸鐵鋰電池存儲(chǔ)溫度越高,容量衰減越快,60℃存儲(chǔ)容量衰減是25℃的2.4倍左右。磷酸鐵鋰電池存儲(chǔ)SOC越高,容量衰減越快,25%-40%SOC比100%SOC慢15%-30%。相對(duì)于SOC,溫度對(duì)日歷壽命的影響更突出[4]。

        研究表明,日歷壽命衰減符合阿倫尼烏斯方程,具體如公式(1)所示,其中Ea為活化能,R為理想氣體常數(shù)。

        Qloss-擱置=f(SOC)*e-*tz (1)

        3.5 磷酸鐵鋰電池及儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行

        磷酸鐵鋰電池及儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命與其運(yùn)行倍率、溫度、SOC區(qū)間及預(yù)緊力強(qiáng)相關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及調(diào)資料研,總結(jié)分析了以上四個(gè)因素對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命的影響。

        3.5.1 倍率

        隨著充放電倍率增加會(huì)顯著加速電池的容量衰減速率[5]。研究表明,倍率老化測(cè)試后,磷酸鐵鋰材料結(jié)構(gòu)隨著電池容量衰減沒(méi)有發(fā)生明顯的老化現(xiàn)象,石墨負(fù)極材料表面SEI膜分解及鋰沉積物的形成是容量衰減的主要原因。所以,儲(chǔ)能系統(tǒng)小倍率運(yùn)行有利于循環(huán)壽命的提升。

        3.5.2 溫度

        隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行溫度的升高,磷酸鐵鋰電池容量衰減加快,在25℃基礎(chǔ)上,磷酸鐵鋰電池溫度升高1℃,壽命減少100次左右。研究表明,隨著環(huán)境溫度的升高,正極材料性能下降是造成全電池容量衰減的一個(gè)重要的原因。

        3.5.3 SOC區(qū)間

        隨著SOC的增加,磷酸鐵鋰電池容量衰減逐漸增加,結(jié)果如圖2所示,75-100%SOC比0-25%SOC區(qū)間循環(huán)容量衰減快一倍左右,所以儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用建議低SOC使用。

        研究表明,高SOC充放電容量衰減過(guò)快的原因主要有以下兩種,一是高SOC引發(fā)析鋰風(fēng)險(xiǎn)大,二是高SOC鐵鋰材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,造成Fe的溶解,F(xiàn)e離子會(huì)加劇SEI的分解,引發(fā)磷酸鐵鋰電池容量衰減。

        3.5.4 預(yù)緊力

        儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)緊力過(guò)大過(guò)小都會(huì)降低磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命。無(wú)預(yù)緊力或預(yù)緊力小,磷酸鐵鋰電池循環(huán)過(guò)程中膨脹會(huì)導(dǎo)致極片界面接觸變差,引發(fā)負(fù)極析鋰;預(yù)緊力過(guò)大影響鋰離子在隔膜和極片中的擴(kuò)散速度,導(dǎo)致負(fù)極大面積析鋰,引發(fā)磷酸鐵鋰電池容量快速衰減[6,7]。

        隨著磷酸鐵鋰電池循環(huán),由于其內(nèi)部副反應(yīng)及負(fù)極材料的膨脹,預(yù)緊力會(huì)逐漸增加。目前推薦成組初始預(yù)緊力為300kgf左右,循環(huán)生命末期(SOH=60%)預(yù)緊力用增加10倍左右。

        4 總結(jié)和展望

        本文章重點(diǎn)分析了延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵因素及最佳使用條件,同時(shí)總結(jié)了在不同使用條件下磷酸鐵鋰電池老化機(jī)理,為長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供技術(shù)支持。

        為了提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益,研究日歷壽命與循環(huán)壽命的耦合機(jī)理建立復(fù)雜運(yùn)行工況下精準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)模型,是接下來(lái)重點(diǎn)突破的難題。

        參考文獻(xiàn):

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        [3]戴海峰,王楠,魏學(xué)哲,等.車(chē)用動(dòng)力鋰離子電池單體不一致性問(wèn)題研究綜述[J].汽車(chē)工程,2014,36(2),182-188.

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