干货丨锂电池寿命影响因素及预测方法介绍

汽车 2025-01-25 20:27 北京

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锂电池已成为全球绿色能源中的一项重要技术，其具备充电速度快、能量密度高、寿命周期长、环境友好等特点，在动力汽车和电力储能系统中得到大量应用。然而，长期充放电会出现容量退化，性能下降，对储能系统构成潜在危害。因此，对锂电池寿命影响因素分析和预测对于保障电池安全管理和电池储能系统设计与优化至关重要。下图展示了锂电系统分解示意图。

图1. 电池系统分解示意图

一

锂电池使用寿命影响因素

锂电池状态估计包括热量管理、荷电状态（SOC）估计、电池循环寿命（SOH）估计、电池一致性与均衡管理、故障诊断与失效处理、功率管理等。锂电池的使用寿命受多种因素的影响，主要包括以下七大方面：

1）充放电循环次数：锂电池的寿命通常以充放电循环次数来衡量。每次充放电循环会导致锂电池内部化学反应的副产物积累，逐渐影响电池容量和性能。因此，高频率和深度的充放电循环会缩短锂电池的寿命；

2）充放电速率：锂电池的寿命也受充放电速率的影响。高速率充放电会产生较大的内部反应和热量，从而加速锂电池容量的下降和老化；

3）温度：高温对锂电池的寿命有负面影响。高温会加速内部化学反应和自放电速度，导致容量下降和寿命缩短；

4）储存条件：长时间不使用的锂电池应储存在低温和低湿度的环境中，以减缓自放电和化学反应的速度；

5）内阻特性：内阻是鉴定电池质量好坏的重要参数，内阻大，会产生大量焦耳热，引起电池温度升高，导致放电电压降低，时间缩短，对电池性能、寿命等造成严重影响。在验证各因素对锂电池的电化学性能试验中，内阻是重要的考察参数；

6）过度充放电：过充会导致电池内部结构受到破坏，乃至爆炸。避免低于2V的深度放电，这样可能使内部发生金属镀敷，引起短路，加大电池安全隐患。同样，如果充电电压超过4.3V，电子电路就会断开电池连接；

7）机械应力：在制造、运输和使用过程中，电池可能会受到冲击、挤压、振动等机械应力的作用，导致电池内部结构受损，缩短电池寿命。因此，应采取相应的保护措施，如使用缓冲材料、避免机械应力等。

以上因素导致锂离子电池使用寿命缩短，通过对电池进行失效分析，可以得出主要是引起下图2列举的一系列问题，如集流体腐蚀、析锂、石墨层剥离等等。在电芯设计时，通过对列举的问题进行材料、制备上的优化和改良，可以有效提升锂离子电池的使用寿命。

图2. 锂电池综合寿命失效分析

二

锂电池寿命预测

预测锂电池的使用寿命可以采用多种方法，其中常用的方法有以下几种：

1）统计分析法：通过对已经使用一段时间的锂电池进行容量测试和寿命试验，收集数据，如电池的运行限制包括不均匀的电流分布、温度分布、电压、充放电特性和性能随时间下降等，建立相关模型，利用统计方法预测锂电池的使用寿命；

2）电化学模型法：根据锂电池的电化学反应过程建立数学模型，利用模型对电池内部的化学反应和容量衰减进行模拟和预测（如图2所示）；

3）人工神经网络法：通过收集和输入大量的锂电池早期数据，如电压、电流、温度、阻抗等参数信息，利用人工神经网络的学习能力建立预测模型，对锂电池的寿命进行有效预测；

4）电化学阻抗法：EIS可用于研究锂离子电池的等效Randles电路模型，描述其非线性操作特性，能够详细检查电池电极上的物理化学过程，提供关于电池功率输送能力的重要知识。通过监测不同充电速率（0.5C、1C和1.5C）下的CPE - Q参数，进行了降解速度分析，从而能够预测锂离子电池的定量值。

图3. 锂离子电池剩余使用寿命预测方法

了解影响锂离子电池使用寿命的因素，有助于对锂电池进行合理的失效分析，从而提升其电化学性能和安全性能。通过对锂离子电池寿命进行科学的预测和评估，对储能产品的维护和保养至关重要。

来源：华阳检测

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