从全生命周期看锂电池寿命衰减 | 论文导读01

从全生命周期看锂电池寿命衰减 | 论文导读01

虽然已经博士毕业多年,但仍保持着阅读论文的习惯,主要原因是从信息获取的角度来看,学术论文写得是真TM良心啊!体现在两点:

  1. 语言精炼、插图精美:一篇好论文从调研、构思、写作、修改、发表,至少要花费高水平人才几十小时时间,那图文质量肯定比几十分钟一篇的媒体文章好太多啦!
  2. 有迹可循、躲开私货: 媒体文章一般都带有一定的目的,或以偏概全、或诡辩之术、或干脆伪造信息,将读者思维带偏;而学术文章讲究严谨的逻辑、全面标出引用,可以帮助读者更有效率地获取知识。

论文虽好,但普通人一般也不具备高效阅读论文的能力。

因此,我打算定期分享一些电动汽车相关的经典论文,将论文中的亮点通俗易懂地表述出来,想深究的可以去看论文原文,不想深究的也能看个乐呵

分享的第一篇论文是<A review on the key issues of the lithium ion battery degradation among the whole life cycle>[1],翻译成中文就是“全生命周期分析锂电池寿命衰减的综述”。

综述(Review)是个好东西: 要研究一个领域,原本要花费大量时间去搜索、阅读、整理上百篇论文,而现在只需要看一篇综述就行了!

如何通俗地理解锂电池寿命衰减?

随着锂离子电池在消费电子与电动汽车两个行业的广泛应用,普通吃瓜群众也都认识到一个常识:锂离子电池的容量越用越少,学术上叫Battery degradation.

追问一:那锂电池为啥会衰退呢

吃瓜群众直观上还可以理解,就像人会老一样,时间长了肯定会衰退。这是自然规律,有什么奇怪的呢?

追问二:那锂电池有几种衰退形式

这就进入吃瓜群众的知识盲区了:不管你是男是女,是中国人还是美国人,年纪大了都会老,都是一个道理,哪还有不同的衰老形式呢?

这篇论文画了一张经典的图:红框圈住的部分是锂离子电池的不同衰退机理。大概有十几种吧,每种衰退形式都标出了引用文献,想深究的读者按图索骥就可以深入研究。

上图很经典,但不是给吃瓜群众看的。对吃瓜群众来说,也有直观地理解方法

  • 水箱(Tank)模型:左手拿一个杯子,是负极;右手拿一个杯子,是正极;水就是锂离子。将左杯的水倒入右杯,是放电;把右杯的水倒入左杯,是充电 —— 就是这么简单!
锂离子电池衰退的水箱模型
  • 容量衰减:倒水过程中,不小心把水洒掉了,下次可以倒的水就少了,这叫LLI(loss of lithium ion inventory)形式的衰退;水杯结垢了、水杯上沿磕坏了,那样水虽然没少但能倒的水也变少了,这叫LAM(loss of active materials)形式的衰退。
除此之外还有internal resistance increase (RI) and loss of electrolyte (LE)两种衰退形式,原谅我不知道怎么比喻。

那么问题来了:

  • 向上说: 不同形式的衰退,是分别由什么原因引起的呢?
  • 向下说: 不同形式的衰退,会分别带来什么后果呢?

嗯…… 很复杂,都在下图中了,大家瞅一眼就行吧!

三元锂电池,镍锰钴分别是干嘛的?

普通消费者,一般是这么认知锂离子电池的分类的:

  • 第一,有磷酸铁锂和三元锂两种: 前者是比亚迪的绝活,后者则是行业主流。
  • 第二,三元锂分NCA(镍钴铝)与NCM(镍钴锰)两种:前者是特斯拉专用,后者则是行业主流。
  • 第三,NCM分为523、622、811: 以前都用622,19年之后向811过渡,能量密度越来越高。

此论文中有个图,就把上面这些信息全概括了:

  • 电解液稳定区: 浅绿色为稳定区,也就是安全。传说中的钛酸锂电池(LTO)稳稳地坐在浅绿色中央,非常稳定、非常安全! 格力董小姐收购银隆新能源,想必是看中了LTO的这一点吧? 但是,等等,似乎有个重大问题:LTO能量密度怎么这么低(横坐标乘以纵坐标),为何之前没人告诉我这一点,是哪个小人要害哀家??!!
董小姐与银隆新能源
  • 主流三元锂:NCM与NCA占据着行业主流地位,比磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)的能量密度都高。二者相比,特斯拉的NCA比其它企业用的NCM更高一些。
  • 在危险的边缘疯狂试探:图中,比三元锂能量密度更高的,就是富锂材料(Li-rich)了。然而,富锂材料一只脚都跨到浅绿稳定区的外面区了 —— 这也就是所谓的能量密度与安全的trade-off关系。唉,锂电行业不容易啊!
在危险的边缘疯狂试探

好了,理解了上面这些之后,如果有人再追问一句……

追问:三元锂的镍钴锰元素,分别做啥用的?

回应:一脸懵圈

这篇论文通俗地概括了一下:

  • 加大容量的镍Ni:镍提供大房子,可以装很多锂离子,但是热稳定性与循环寿命差。
  • 保障安全的锰Mn:锰增强循环寿命、提高稳定性保障安全。其实很好记,医学上都用高锰酸钾药水呢,看来锰Mn就是个保障安全的元素啊(戏言)!!
医用高锰酸钾药水
  • 提高功率的钴Co:可以提高电导率,简单地说就是让锂离子在正负极材料中穿梭得更顺畅,从而提高功率密度。

这么一来,是不是就很好记了?

混动与纯电,电池衰退形式一样吗?

论文给出了一张图,直观地表现出混动与纯电的锂电池使用条件 不同:

  • 纯电车(BEV):充电时SOC一直向上,放电时一直向下。
  • 混动车(HEV):与之不同,而是在一个区间里频繁地充放电。
  • 插混车(PHEV):介于二者之间,电足的时候像纯电,先放电;电量不足时像混动,在一个区间里频繁充放电。

那不同的使用条件,对锂电池的寿命会有不同的影响吗?

先说纯电动车。

提一个很有意思的问题:若条件允许,是每次用到80%就充满电好呢,还是每次用到20%再充满电好呢

答案并非很符合直觉,有两个效应:

  • SOC效应:电池处于高SOC的时间越长,意味着容量衰退越快 —— 高SOC对电池来说是一种“非自然”的状态,它渴望释放以达到低SOC状态,否则就会憋得减寿,你懂的。如果在80%-100%之间循环,平均SOC就是90%,更容易衰减;如果在20%-100%之间循环,平均SOC就是60%,好得多。
说到这里,大家就会想到:每天晚上到家就充电,相当于后半夜都处于满SOC状态,岂不是对电池寿命不好? 为啥不设置成后半夜开始充电,早晨充满呢?
这确实是一个有意思的问题,涉及到充电策略问题与电网负载问题,前者在我之前的文章[2]有讨论,后者在另外一篇文章[3]中有讨论。
  • DOD(放电深度)效应:20%-100%之间循环,虽然平均SOC降下来了,但是由于DOD比较大,正负极材料在充放电过程中分子结构变化比较大:一会撑开,一会松下去,这样也会导致寿命衰减。

在SOC效应与DOC效应综合作用上,理论上来说存在一个最优DOD,不是一个确定的值,某个试验显示出:大概是40%DOD,也就是从100%SOC放电到60%左右。

混动的话,规律比较复杂……总体上来说,在低SOC循环的话寿命会高一些。

论文亮点

上面介绍的,是论文中一些比较容易懂的点。

从学术上来说,这篇Review的主要贡献是:已有的Review大部分是概括了factors(影响因素)、aging mechanisms(衰退机理), degradation models(衰退模型)和diagnostic methods(诊断方法)的其中一个方面,而本论文是从综合的角度都概况了,更全面、更综合。

论文下载

本论文源自Elsevier期刊国际交通电动化杂志(eTransportation)第一期,一年内可以免费下载:sciencedirect.com/journ

欢迎汽车电动化的科研大佬们投稿!

论文导读不易,如果对您有帮助,就点个赞吧!

参考

  1. ^Han X, Lu L, Zheng YJ, et al. a review on the key issues of the lithium ion battery degradation along the whole life cycle[J]. Journal of eTransportation, 2019 Volume 1
  2. ^手机电池没充完就拔下,电池没用完就充电会影响电池的寿命或容量吗? https://www.zhihu.com/question/27972095/answer/40223688
  3. ^什么是电动汽车入网技术? https://zhuanlan.zhihu.com/p/48572815
编辑于 2019-09-29 13:31