充电制度对三元材料电池寿命的影响分析

来源：第一电气网作者：平兰俯瞰新能源领军人物

随着锂离子电池能量密度的不断提高，传统的钴酸锂材料逐渐被容量更高的三元材料所取代。尽管三元材料具有类似于LCO材料的层状结构，但与LCO材料相比，三元材料不仅在材料容量上有了很大的提高，而且具有明显更好的热稳定性。一般来说，我们常说的三元材料主要指NMC材料，也包括NCA材料。层状材料的承载力受其结构稳定性的影响。由于Ni3+的化学稳定性优于Co，NMC材料在充电过程中可以去除更多的Li，这大大提高了材料的容量。相反，层状氧化物阴极材料的结构稳定性也受到Li去除量的影响，过量的Li去除可能导致材料的层状结构坍塌。因此，为了确保NMC材料的结构稳定性，有必要限制材料的充电截止电压，以确保材料的长期循环稳定性。

德国明斯特大学的Johannes Kasnatscheew等人研究了NCM111和NCM532（两种材料来自宝马集团）、NCM622和NCA（两种来自Customcell）以及NCM811（来自杉杉科技）充电系统对其循环寿命和结构稳定性的影响。

充电截止电压的影响

从NMC材料中去除锂的量与充电截止电压成比例，也就是说，充电截止电压越高，从NMC物质中去除的锂的量就越大，并且材料的结构就越不稳定。下图显示了NCM811材料在不同充电截止电压下的循环性能曲线。可以看出，提高截止电压后，材料的容量明显提高，但随之而来的是材料下降速度的加快。在比较不同截止电压下的循环数据后发现，在4.6V的截止电压下，第五次放电时的比容量最高，但在53次循环后，其容量迅速下降，低于4.5V和4.4V的截止电压。这表明，盲目增加充电截止电压会大大提高材料的容量，但会明显降低材料的循环稳定性，因此有必要根据电池的设计寿命合理选择充电截止电压。

下图显示了NMC111、NMC532、NMC622、NMC811和NCA材料在不同截止电压下53次循环后的放电能量和放电能量保持率曲线。从图中可以看出，经过53次循环后，放电能量密度最高的电池并不是截止电压最高的电池。对于NMC811材料，在4.3V的截止电压下获得了最高的放电能量密度，NMC622、NMC532和NCA材料在4.4V的充电截止电压下得到了最高的释放能量密度，而NMC111材料在4.5V下得到了最大的能量密度。这只是53次循环后的数据。随着循环次数的增加，具有较高截止电压的材料衰减得更快。根据上图中循环曲线的趋势，当截止电压最低时，放电能量密度将最高。此外，从下图中可以看出，无论哪种材料随着充电截止电压的增加而增加，都会加速容量下降，尤其是低Ni含量的NMC111、NMC532和NMC622材料更容易受到截止电压的影响，这表明几种低Ni含量材料的结构稳定性较差。

环境温度的影响

在锂离子电池的实际应用中，材料的高温稳定性也需要我们考虑。Johannes Kasnatscheew研究了NMC622、NMC811和NCA材料在室温和60℃下的循环性能，结果如下图所示。一般来说，提高温度可以改善电池中的动态条件，从而提高电池的性能，这可以从电池在60℃时的容量中清楚地看出，但是高温会对材料的循环稳定性产生一定的影响。例如，在室温下……

re为20℃时，三种材料在前50次循环后具有相似的循环性能。然而，当温度升高到60℃时，NMC811和NCA材料在50次循环后的容量保持率明显低于NMC622材料，这表明NMC622具有更高的热稳定性。

地层电流对循环性能的影响

从以上分析中，我们还可以看出，NMC的除锂量对材料的循环寿命有很大影响。对于NMC材料，充电截止电压越高，锂的去除量就越大。在一定充电截止电压的条件下，电流越小，电池的锂去除量就越大。在锂离子电池的形成过程中，一般来说，会使用小电流充电到截止电压，然后放电，因此在形成过程中截止电压和形成电流都会影响NMC材料的循环性能。下图显示了地层电流和截止电压对地层期间材料循环性能的影响。从图A中可以看出，较小的电流可以获得较高的容量。例如，NMC622材料的充电容量在7.5mAh/g的电流密度下为234.8mAh/g，在30mAh/g的电流密度上为229.8mAh/g，在150mA/g的电流浓度下为223.8mAh/g。然而，在形成之后的循环中，由高电流形成的材料的容量反而被施加。不同形成截止电压对电池循环性能的影响如图B所示。从图中可以看出，随着充电截止电压的增加，材料的容量也迅速增加，4.7V的充电容量达到241mAh/g，而NMC622材料在4.2V下的充电容量仅为180mAh/g。然而，在形成后的循环过程中，形成电压越高，容量越低，循环性能越差。通过降低形成过程中的电压和增加形成电流，减少形成过程中三元材料的锂去除量，可以有效提高材料的结构稳定性，增强材料的循环性能。

充电系统智能控制

在锂离子电池的循环过程中，由于材料结构的破坏和SEI膜的生长，电池的内阻和极化会增加，这会增加电池在充放电过程中的“过电位”，从而导致电池的充放电能力下降，如下图所示。可以看出，“过电位”的存在导致锂离子电池过早达到截止电压，结束充电，从而降低电池的容量。为了克服过电位导致的电池容量下降，Johannes Kasnatscheew提出了充电电压智能控制的概念，即随着电池循环的进行，调整充电电压以确保每次充电的容量一致，以克服过电位引起的容量下降，并提高电池的循环性能（如下图A所示）。这种方法还应考虑到，随着循环次数的增加，充电截止电压将继续上升，并且应避免充电截止电压超过材料的安全电压极限。

Johannes Kasnatscheew分析了影响三元材料循环性能的因素，如充电截止电压、形成电压和电流，以及环境温度对NMC和NCA材料循环性能影响。本质上，随着NMC材料除锂量的增加，材料的结构稳定性会降低，从而影响循环性能。此外，高温还会对材料的稳定性产生负面影响，从而导致材料循环性能下降。Johannes Kasnatscheew还根据NMC材料的特性设计了一种全新的充电系统，不仅切断了容量限制，还调整了充电电压，以确保电池的容量……

ame，从而克服了电池过电位导致的充电容量和放电容量下降，提高了电池的循环性能。

来源：第一电气网作者：平兰俯瞰新能源领军人物

随着锂离子电池能量密度的不断提高，传统的钴酸锂材料逐渐被容量更高的三元材料所取代。尽管三元材料具有类似于LCO材料的层状结构，但与LCO材料相比，三元材料不仅在材料容量上有了很大的提高，而且具有明显更好的热稳定性。一般来说，我们常说的三元材料主要指NMC材料，也包括NCA材料。层状材料的承载力受其结构稳定性的影响。由于Ni3+的化学稳定性优于Co，NMC材料在充电过程中可以去除更多的Li，这大大提高了材料的容量。相反，层状氧化物阴极材料的结构稳定性也受到Li去除量的影响，过量的Li去除可能导致材料的层状结构坍塌。因此，为了确保NMC材料的结构稳定性，有必要限制材料的充电截止电压，以确保材料的长期循环稳定性。

德国明斯特大学的Johannes Kasnatscheew等人研究了NCM111和NCM532（两种材料来自宝马集团）、NCM622和NCA（两种来自Customcell）以及NCM811（来自杉杉科技）充电系统对其循环寿命和结构稳定性的影响。

充电截止电压的影响

从NMC材料中去除锂的量与充电截止电压成比例，也就是说，充电截止电压越高，从NMC物质中去除的锂的量就越大，并且材料的结构就越不稳定。下图显示了NCM811材料在不同充电截止电压下的循环性能曲线。可以看出，提高截止电压后，材料的容量明显提高，但随之而来的是材料下降速度的加快。在比较不同截止电压下的循环数据后发现，在4.6V的截止电压下，第五次放电时的比容量最高，但在53次循环后，其容量迅速下降，低于4.5V和4.4V的截止电压。这表明，盲目增加充电截止电压会大大提高材料的容量，但会明显降低材料的循环稳定性，因此有必要根据电池的设计寿命合理选择充电截止电压。

下图显示了NMC111、NMC532、NMC622、NMC811和NCA材料在不同截止电压下53次循环后的放电能量和放电能量保持率曲线。从图中可以看出，经过53次循环后，放电能量密度最高的电池并不是截止电压最高的电池。对于NMC811材料，在4.3V的截止电压下获得了最高的放电能量密度，NMC622、NMC532和NCA材料在4.4V的充电截止电压下得到了最高的释放能量密度，而NMC111材料在4.5V下得到了最大的能量密度。这只是53次循环后的数据。随着循环次数的增加，具有较高截止电压的材料衰减得更快。根据上图中循环曲线的趋势，当截止电压最低时，放电能量密度将最高。此外，从下图中可以看出，无论哪种材料随着充电截止电压的增加而增加，都会加速容量下降，尤其是低Ni含量的NMC111、NMC532和NMC622材料更容易受到截止电压的影响，这表明几种低Ni含量材料的结构稳定性较差。

环境温度的影响

在锂离子电池的实际应用中，材料的高温稳定性也需要我们考虑。Johannes Kasnatscheew研究了NMC622、NMC811和NCA材料在室温和60℃下的循环性能，结果如下图所示。一般来说，提高温度可以提高动态……

c条件下，从而提高电池的性能，从电池在60℃时的容量可以清楚地看出，但高温会对材料的循环稳定性产生一定影响。例如，在20℃的室温下，三种材料在前50次循环后具有相似的循环性能。然而，当温度升高到60℃时，NMC811和NCA材料在50次循环后的容量保持率明显低于NMC622材料，这表明NMC622具有更高的热稳定性。

地层电流对循环性能的影响

从以上分析中，我们还可以看出，NMC的除锂量对材料的循环寿命有很大影响。对于NMC材料，充电截止电压越高，锂的去除量就越大。在一定充电截止电压的条件下，电流越小，电池的锂去除量就越大。在锂离子电池的形成过程中，一般来说，会使用小电流充电到截止电压，然后放电，因此在形成过程中截止电压和形成电流都会影响NMC材料的循环性能。下图显示了地层电流和截止电压对地层期间材料循环性能的影响。从图A中可以看出，较小的电流可以获得较高的容量。例如，NMC622材料的充电容量在7.5mAh/g的电流密度下为234.8mAh/g，在30mAh/g的电流密度上为229.8mAh/g，在150mA/g的电流浓度下为223.8mAh/g。然而，在形成之后的循环中，由高电流形成的材料的容量反而被施加。不同形成截止电压对电池循环性能的影响如图B所示。从图中可以看出，随着充电截止电压的增加，材料的容量也迅速增加，4.7V的充电容量达到241mAh/g，而NMC622材料在4.2V下的充电容量仅为180mAh/g。然而，在形成后的循环过程中，形成电压越高，容量越低，循环性能越差。通过降低形成过程中的电压和增加形成电流，减少形成过程中三元材料的锂去除量，可以有效提高材料的结构稳定性，增强材料的循环性能。

充电系统智能控制

在锂离子电池的循环过程中，由于材料结构的破坏和SEI膜的生长，电池的内阻和极化会增加，这会增加电池在充放电过程中的“过电位”，从而导致电池的充放电能力下降，如下图所示。可以看出，“过电位”的存在导致锂离子电池过早达到截止电压，结束充电，从而降低电池的容量。为了克服过电位导致的电池容量下降，Johannes Kasnatscheew提出了充电电压智能控制的概念，即随着电池循环的进行，调整充电电压以确保每次充电的容量一致，以克服过电位引起的容量下降，并提高电池的循环性能（如下图A所示）。这种方法还应考虑到，随着循环次数的增加，充电截止电压将继续上升，并且应避免充电截止电压超过材料的安全电压极限。

Johannes Kasnatscheew分析了影响三元材料循环性能的因素，如充电截止电压、形成电压和电流，以及环境温度对NMC和NCA材料循环性能影响。本质上，随着NMC材料除锂量的增加，材料的结构稳定性会降低，从而影响循环性能。此外，高温还会对材料的稳定性产生负面影响，从而导致材料的cyc下降……

表演Johannes Kasnatscheew还根据NMC材料的特性设计了一种全新的充电系统，不仅切断了容量限制，还调整了充电电压，以确保电池每次的容量都相同，从而克服了电池过电位导致的充电容量和放电容量的下降，提高了电池的循环性能。

标签：理念发现

汽车资讯热门资讯