鋰離子電池循環(huán)壽命測試探討

何鵬林

（中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100007）

引言

鋰離子電池的應(yīng)用越來越廣，鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)中的無記憶效應(yīng)、比能量密度等都與其容量有著密切的關(guān)系。當(dāng)經(jīng)過多次循環(huán)使用之后，鋰離子電池的容量會(huì)減少，當(dāng)容量減少到一定程度時(shí)可認(rèn)為電池的壽命終止。例如，GJB 4477-2002《鋰離子蓄電池組通用規(guī)范》中規(guī)定經(jīng)過400次循環(huán)充放電后，如果電池容量降低到額定容量（C5）的70%以下即可認(rèn)為電池壽命終止?？梢哉f，鋰離子電池的循環(huán)壽命是鋰離子電池的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)，是鋰離子電池質(zhì)量評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵項(xiàng)目。然而，目前的測試方法試驗(yàn)周期過長，例如按照GJB 4477-2002進(jìn)行400次循環(huán)約需要7個(gè)多月的時(shí)間。因而在實(shí)際的質(zhì)量評(píng)價(jià)中，很難進(jìn)行循環(huán)壽命考核。

本文將分析現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的鋰離子電池循環(huán)壽命測試方法，并探討全新的測試方法。

1 傳統(tǒng)測試方法

現(xiàn)有的國內(nèi)外鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)中的循環(huán)壽命測試方法基本上比較一致，均是采用特定電流進(jìn)行充放電循環(huán)，并監(jiān)測每次放電循環(huán)時(shí)的容量。以GJB 4477-2002《鋰離子蓄電池組通用規(guī)范》為例，充電方法是以0.2C5A恒流充電至4.2V，然后轉(zhuǎn)為恒壓充電直至充電電流降為0.05C5A時(shí)停止充電；放電方法是以0.2C5A進(jìn)行放電至規(guī)定的終止電壓；重復(fù)上述充放電循環(huán)，直至連續(xù)2次容量低于70%（循環(huán)次數(shù)應(yīng)大于400次）。以總共循環(huán)400次為例，測試周期也需要7個(gè)多月。如此漫長的循環(huán)周期，也增加了測試成本，導(dǎo)致在實(shí)際的質(zhì)量評(píng)估中很難完全進(jìn)行完全部的循環(huán)。目前實(shí)際操作中一般采取妥協(xié)方案，即僅進(jìn)行100次充放電循環(huán)就結(jié)束測試，而100次循環(huán)也需要50多天，且不能反映電池的實(shí)際循環(huán)壽命特性。

在GB/T 18287、MT/T 1051、QB/T 2052、QB/T 2947.3、QC/T 743、YD/T 998、IEC 61960、JIS C8711等眾多國內(nèi)外的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)中，均采取了上述測試方法，只是充放電電流略有差異。

傳統(tǒng)測試方法基本上可以反映鋰離子電池實(shí)際的循環(huán)壽命特性，其缺點(diǎn)是測試周期漫長、測試成本較高、難以實(shí)施。

2 擬合曲線法

測試周期是全部測試循環(huán)中的各個(gè)充放電過程的總和，因而減少循環(huán)次數(shù)可以直接縮短測試時(shí)間。仍以GJB 4477-2002為例，循環(huán)400次需要7個(gè)多月（約220天），而循環(huán)100次則縮短至50多天，測試周期縮短至不到原先的1/4。然而，一般產(chǎn)品的實(shí)際使用次數(shù)遠(yuǎn)多于100次，因而簡單地縮短循環(huán)次數(shù)不能反映電池的實(shí)際循環(huán)壽命。

通過對(duì)不同電池的循環(huán)充放電試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出，在前500次循環(huán)中容量的變化為平滑曲線。其中，相當(dāng)一部分的變化趨勢呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系?？梢岳们?00次循環(huán)的數(shù)據(jù)擬合出函數(shù)曲線，再根據(jù)該曲線推導(dǎo)出第N次循環(huán)的容量。以某型號(hào)電池為例，根據(jù)前100次數(shù)據(jù)得出擬合曲線為y=-0.5x+720，便可推導(dǎo)出第150次循環(huán)的容量為645mAh，第400次循環(huán)時(shí)的容量為520mAh，分別于傳統(tǒng)測試方法測得容量（648mAh和530mAh）基本一致（見圖1）。

擬合曲線法測試周期有所縮短，但是需要足夠多次數(shù)的循環(huán)數(shù)據(jù)（例如100次）才能得出較為貼合實(shí)際的擬合曲線，但是其測試時(shí)間仍舊較長，難以滿足產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)定的要求。

圖1 某型號(hào)電池前160 次循環(huán)老化曲線

3 大電流加速法

測試時(shí)間與充放電電流有著直接的關(guān)系，電流越大測試時(shí)間越短。由于傳統(tǒng)測試方法耗時(shí)太長，而增大測試電流可以縮短測試周期。仍以GJB 4477-2002為例，測試電流為0.2C5A時(shí)測試周期約為220天，測試電流為1C5A時(shí)測試周期約為60多天。從某種意義上講，采取足夠大的測試電流，可以使得測試周期足夠短。

但是需要注意的是，過大的電流充放電可以使得電池有較大的溫升，引起電池鼓脹，結(jié)構(gòu)損壞而無法使用。因而，不能無限制的增大測試電流。根據(jù)不同電池的特性，這個(gè)可以接受的最大測試電流也有差異。例如，對(duì)于功率型電池的測試電流一般會(huì)較大。

此外，不同的充放電電流下測得的容量也會(huì)有所差異。以某型號(hào)電池為例，測試電流為0.1C5A、0.2C5A、0.5C5A、1C5A和2C5A時(shí)測得的容量有很大差異，詳見圖2所示。因而在采用大電流加速法進(jìn)行測試時(shí)，需要考慮大電流測得的實(shí)際容量與額定容量的差異，例如上述型號(hào)電池采用1C5A測試時(shí)需要考慮修正系數(shù)k1=C1/C5=0.958。

例如，以0.2C5A電流進(jìn)行循環(huán)壽命測試時(shí)的判定值若為（C5×70%），那么以1C5A電流進(jìn)行循環(huán)壽命測試時(shí)判定值應(yīng)（C1×70%），也就是（C5×70%×k1）。此時(shí)，理想狀態(tài)下不同測試電流的循環(huán)壽命曲線見圖3。

理想狀態(tài)下對(duì)上述圖3中的曲線進(jìn)行上下平移，那么不同電流的測試曲線應(yīng)該是可以與0.2C5A的曲線重合的。假設(shè)重合后的曲線為y=kx+1，那么不同電流下的容量為y=（kx+k1）C5。

圖2 某型號(hào)電池不同充放電電流下測得的容量

而實(shí)際上，由于大電流充放電可能會(huì)加速電池的老化，因而實(shí)際上大電流測試的第N次的容量要略低于y=（kx+k1）C5，假設(shè)這種加速老化是均勻的，那么曲線發(fā)生變化的僅僅是斜率。假設(shè)曲線斜率變化率為k2，那么采用某電流測試所得的曲線應(yīng)為y=（k k2x+k1）C5，見圖4所示。

4 大電流擬合曲線法

通過前面的分析可知，通過簡單的擬合曲線法可以在一定程度上縮短鋰離子電池循環(huán)壽命的測試周期，通過適當(dāng)加大測試電流并考慮修正系數(shù)k1和k2也可以縮短測試周期。但是上述兩種方法還是都需要相當(dāng)長的時(shí)間，例如采用200次擬合曲線法需要110多天，采用1C5A大電流加速需要60多天。這對(duì)于鋰離子電池質(zhì)量評(píng)定來說，還是較為漫長。

如果綜合大電流加速法和擬合曲線法，可進(jìn)一步縮短測試周期。方法如下：

1）選取合適的測試電流（如1C5A），進(jìn)行一定次數(shù)的充放電循環(huán)（如200次，耗時(shí)約30天）；

圖3 理想狀態(tài)下某型號(hào)電池在不同測試電流的循環(huán)壽命曲線

圖4 實(shí)際狀態(tài)下不同測試電流的循環(huán)壽命曲線示意圖

2）使用擬合曲線法，計(jì)算出1C5A測試時(shí)的系數(shù)kk2和k1;

3）根據(jù)y=（k k2x+k1）C5計(jì)算第400次循環(huán)時(shí)（x=400）的容量。

可以看出，采用大電流擬合曲線法可以將測試周期進(jìn)一步縮短。

大電流擬合曲線法需要先進(jìn)行足夠數(shù)量的充放電循環(huán)，循環(huán)次數(shù)越多得到的擬合曲線越接近實(shí)際曲線。此外，需要根據(jù)電池自身特性選擇合適的大電流，并考慮相應(yīng)的修正系數(shù)。

5 小結(jié)

鋰離子電池的循環(huán)壽命性能非常重要，可以由測試周期過長一直以來難以真正實(shí)施。通過擬合曲線法可以縮短測試周期，通過大電流加速法也可以縮短試驗(yàn)周期但是需要考慮修正系數(shù)，而通過大電流擬合曲線法可以進(jìn)一步縮短試驗(yàn)周期。對(duì)于具有足夠時(shí)間的質(zhì)量評(píng)定，可以直接采取擬合曲線法；而對(duì)于測試周期要求較短的質(zhì)量評(píng)定，可采取大電流擬合曲線法。

[1]GJB 4477-2002,鋰離子蓄電池組通用規(guī)范[S].

[2]GB/T 18287-2013,移動(dòng)電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范[S].