鋰離子電池是目前最為常用的電子設(shè)備(如手機(jī)、筆記本電腦等)和電動(dòng)汽車(chē)用化學(xué)儲(chǔ)能元器件，對(duì)于鋰離子電池我們非常關(guān)注它的循環(huán)壽命(一般我們認(rèn)為，鋰離子電池的容量剩余低于80%其壽命也就結(jié)束了)，因?yàn)檫@直接決定了我們的使用體驗(yàn)和成本。

鋰離子電池的失效機(jī)理較為復(fù)雜，例如在充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)對(duì)電極造成機(jī)械應(yīng)力，會(huì)造成顆粒破碎，這會(huì)導(dǎo)致電池壽命衰降。此外在循環(huán)過(guò)程中，電極和電解液之間會(huì)副反應(yīng)導(dǎo)致界面膜SEI膜不斷增厚，造成電池的容量衰減。

一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池的壽命和很多因素都有關(guān)，例如充電狀態(tài)SOC，放電倍率等因素，但是這些一般是基于數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)性描述，還缺乏相應(yīng)的模型對(duì)鋰離子電池的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。鋰離子電池的壽命與循環(huán)中使用的SOC的范圍有著密切的關(guān)系，例如Hoke等的研究顯示，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池使用的SoC范圍從70%-90%下降到20%-40%，其循環(huán)壽命提高了將近4年。

而Watanabe針對(duì)NCA材料的研究顯示，將材料的使用范圍降低到3.48-4.05V(SoC為30%-90%)，材料的循環(huán)壽命得到了極大的提升。而針對(duì)NCM材料的研究顯示，該材料最小的容量衰降發(fā)生在SoC為50%的附近。因此十分有必要建立一個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)不同的SOC使用范圍，所對(duì)應(yīng)的循環(huán)壽命，以便為鋰離子電池在實(shí)踐中應(yīng)用提供指導(dǎo)。

近日，美國(guó)的馬里蘭大學(xué)的SaurabhSaxena團(tuán)隊(duì)針對(duì)商用LCO/C電池開(kāi)展了壽命模型的研究。實(shí)驗(yàn)中使用的為1.5Ah軟包鋰離子電池，正負(fù)極材料分別為L(zhǎng)iCoO2和石墨，實(shí)驗(yàn)室在25℃的控溫箱中進(jìn)行的。

由于電池在循環(huán)過(guò)程中容量會(huì)發(fā)生持續(xù)的衰降，因此在試驗(yàn)中每隔50到100次部分循環(huán)后，就要進(jìn)行一次全循環(huán)(在2.75V-4.2V范圍以C/2電流測(cè)量電池的剩余容量)測(cè)量電池的容量，以保證循環(huán)過(guò)程中的SOC值準(zhǔn)確的控制需要的SOC值范圍內(nèi)，例如20%-80%之間。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)SOC范圍在對(duì)電池循環(huán)影響較大。當(dāng)SOC的范圍為40%-60%時(shí)，電池容量的衰降速度要明顯小于電池在20%-80%和0%-100%之間循環(huán)的電池。

同時(shí)從測(cè)試結(jié)果上我們也注意到當(dāng)在小倍率(C/2)下循環(huán)時(shí)，SOC在20%-80%和0%-100%之間循環(huán)時(shí)，開(kāi)始兩者的電池衰降速度接近，但是在500次以后，SOC在0-100%之間的電池容量開(kāi)始快速衰降。但是當(dāng)倍率提高時(shí)(2C)，兩者之間的差距就明顯的變小。

同時(shí)也看到，無(wú)論在哪個(gè)SOC范圍內(nèi)做循環(huán)，高倍率下，電池容量衰降都要更快一些，這可能與電池在大倍率放電時(shí)，電池溫度升高較多有關(guān)(在較高的溫度下電池容量衰降較快)。

當(dāng)將SOC的使用范圍調(diào)整為0%-60%，20%-80%和40%-100%時(shí)，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，SOC范圍為0%-60%的電池的容量衰降速率要明顯低于其他兩個(gè)SOC范圍，在循環(huán)700次后容量保持率可以達(dá)到97%以上，這表明在較低的SOC范圍內(nèi)，電池的失效機(jī)理不同于在高SOC范圍內(nèi)循環(huán)的電池。

而另一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用SOC范圍的中值對(duì)電池的循環(huán)壽命有著顯著的影響，試驗(yàn)中SaurabhSaxena等人設(shè)計(jì)了不同的SOC使用范圍，0%-60%，40%-60%和0-100%，40%-100%，一般我們認(rèn)為將SOC的范圍變小有利于較小電池容量的衰降，但是實(shí)際在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，0%-60%和0%-100%的電池循環(huán)壽命要明顯好于40%-60%和40%-100%。

前者的SOC中值分別為30%和50%，而后者的SOC中值分別為50%和70%，可見(jiàn)SOC中值對(duì)電池循環(huán)壽命的影響更大，但是在循環(huán)500次以后△SOC對(duì)衰降速度的影響也很大。

SaurabhSaxena等人基于上述研究成果建立了一個(gè)LCO/C鋰離子電池的壽命模型，電池的常規(guī)容量如上式所示。其中EFC為等效全循環(huán)，A為冪率因數(shù)，b為冪率指數(shù)，NDC為鋰離子電池的常規(guī)容量。在不同的SOC和△SOC下A和b的數(shù)值如下表所示：

該模型與實(shí)際測(cè)試結(jié)果十分符合，由于在不同的情況下b的值幾乎是相同的，因此可以設(shè)定b為一個(gè)固定的常數(shù)0.453?，F(xiàn)在還需要解決的一個(gè)參數(shù)就是不同的SOC和△SOC所對(duì)應(yīng)的A值，對(duì)于除了SOC對(duì)0%-60%的范圍內(nèi)循環(huán)的電池，在其他SOC范圍內(nèi)循環(huán)的電池均可以采用SEI膜逐漸生長(zhǎng)的失效模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此等效全循環(huán)與時(shí)間之間是呈正比例關(guān)系的，A值與SOC和△SOC之間存在如下的關(guān)系：

將上述計(jì)算得出的A值帶入到NDC%(常規(guī)容量)的式中，就可以計(jì)算出電池在不同的SOC使用范圍和△SOC值得條件下，電池的循環(huán)壽命，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該模型得出的壽命衰降模型與實(shí)際測(cè)試中所得的數(shù)據(jù)十分符合，因此該模型可以應(yīng)用在實(shí)踐中，為鋰離子電池設(shè)計(jì)和使用、維護(hù)提供指導(dǎo)。

但是該模型僅能夠在500次循環(huán)以內(nèi)預(yù)測(cè)電池的剩余容量，當(dāng)電池循環(huán)超過(guò)500次后，電池容量衰降開(kāi)始突然加速，這可能與活性物質(zhì)顆粒和SEI膜破裂有關(guān)，還需要建立新的模型對(duì)這一行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)0%-60%的電池表現(xiàn)出了極低的容量衰降速度，目前對(duì)該現(xiàn)象的機(jī)理認(rèn)識(shí)還不清楚，需要進(jìn)一步研究。