锂离子电池循环寿命测试探讨

何鹏林

（中国电子技术标准化研究院，北京 100007）

引言

锂离子电池的应用越来越广，锂离子电池的优点中的无记忆效应、比能量密度等都与其容量有着密切的关系。当经过多次循环使用之后，锂离子电池的容量会减少，当容量减少到一定程度时可认为电池的寿命终止。例如，GJB 4477-2002《锂离子蓄电池组通用规范》中规定经过400次循环充放电后，如果电池容量降低到额定容量（C5）的70%以下即可认为电池寿命终止。可以说，锂离子电池的循环寿命是锂离子电池的一项非常重要的性能指标，是锂离子电池质量评价中的关键项目。然而，目前的测试方法试验周期过长，例如按照GJB 4477-2002进行400次循环约需要7个多月的时间。因而在实际的质量评价中，很难进行循环寿命考核。

本文将分析现有标准中的锂离子电池循环寿命测试方法，并探讨全新的测试方法。

1 传统测试方法

现有的国内外锂离子电池标准中的循环寿命测试方法基本上比较一致，均是采用特定电流进行充放电循环，并监测每次放电循环时的容量。以GJB 4477-2002《锂离子蓄电池组通用规范》为例，充电方法是以0.2C5A恒流充电至4.2V，然后转为恒压充电直至充电电流降为0.05C5A时停止充电；放电方法是以0.2C5A进行放电至规定的终止电压；重复上述充放电循环，直至连续2次容量低于70%（循环次数应大于400次）。以总共循环400次为例，测试周期也需要7个多月。如此漫长的循环周期，也增加了测试成本，导致在实际的质量评估中很难完全进行完全部的循环。目前实际操作中一般采取妥协方案，即仅进行100次充放电循环就结束测试，而100次循环也需要50多天，且不能反映电池的实际循环寿命特性。

在GB/T 18287、MT/T 1051、QB/T 2052、QB/T 2947.3、QC/T 743、YD/T 998、IEC 61960、JIS C8711等众多国内外的锂离子电池标准中，均采取了上述测试方法，只是充放电电流略有差异。

传统测试方法基本上可以反映锂离子电池实际的循环寿命特性，其缺点是测试周期漫长、测试成本较高、难以实施。

2 拟合曲线法

测试周期是全部测试循环中的各个充放电过程的总和，因而减少循环次数可以直接缩短测试时间。仍以GJB 4477-2002为例，循环400次需要7个多月（约220天），而循环100次则缩短至50多天，测试周期缩短至不到原先的1/4。然而，一般产品的实际使用次数远多于100次，因而简单地缩短循环次数不能反映电池的实际循环寿命。

通过对不同电池的循环充放电试验验证可以得出，在前500次循环中容量的变化为平滑曲线。其中，相当一部分的变化趋势呈现较好的线性关系。可以利用前100次循环的数据拟合出函数曲线，再根据该曲线推导出第N次循环的容量。以某型号电池为例，根据前100次数据得出拟合曲线为y=-0.5x+720，便可推导出第150次循环的容量为645mAh，第400次循环时的容量为520mAh，分别于传统测试方法测得容量（648mAh和530mAh）基本一致（见图1）。

拟合曲线法测试周期有所缩短，但是需要足够多次数的循环数据（例如100次）才能得出较为贴合实际的拟合曲线，但是其测试时间仍旧较长，难以满足产品质量评定的要求。

图1 某型号电池前160 次循环老化曲线

3 大电流加速法

测试时间与充放电电流有着直接的关系，电流越大测试时间越短。由于传统测试方法耗时太长，而增大测试电流可以缩短测试周期。仍以GJB 4477-2002为例，测试电流为0.2C5A时测试周期约为220天，测试电流为1C5A时测试周期约为60多天。从某种意义上讲，采取足够大的测试电流，可以使得测试周期足够短。

但是需要注意的是，过大的电流充放电可以使得电池有较大的温升，引起电池鼓胀，结构损坏而无法使用。因而，不能无限制的增大测试电流。根据不同电池的特性，这个可以接受的最大测试电流也有差异。例如，对于功率型电池的测试电流一般会较大。

此外，不同的充放电电流下测得的容量也会有所差异。以某型号电池为例，测试电流为0.1C5A、0.2C5A、0.5C5A、1C5A和2C5A时测得的容量有很大差异，详见图2所示。因而在采用大电流加速法进行测试时，需要考虑大电流测得的实际容量与额定容量的差异，例如上述型号电池采用1C5A测试时需要考虑修正系数k1=C1/C5=0.958。

例如，以0.2C5A电流进行循环寿命测试时的判定值若为（C5×70%），那么以1C5A电流进行循环寿命测试时判定值应（C1×70%），也就是（C5×70%×k1）。此时，理想状态下不同测试电流的循环寿命曲线见图3。

理想状态下对上述图3中的曲线进行上下平移，那么不同电流的测试曲线应该是可以与0.2C5A的曲线重合的。假设重合后的曲线为y=kx+1，那么不同电流下的容量为y=（kx+k1）C5。

图2 某型号电池不同充放电电流下测得的容量

而实际上，由于大电流充放电可能会加速电池的老化，因而实际上大电流测试的第N次的容量要略低于y=（kx+k1）C5，假设这种加速老化是均匀的，那么曲线发生变化的仅仅是斜率。假设曲线斜率变化率为k2，那么采用某电流测试所得的曲线应为y=（k k2x+k1）C5，见图4所示。

4 大电流拟合曲线法

通过前面的分析可知，通过简单的拟合曲线法可以在一定程度上缩短锂离子电池循环寿命的测试周期，通过适当加大测试电流并考虑修正系数k1和k2也可以缩短测试周期。但是上述两种方法还是都需要相当长的时间，例如采用200次拟合曲线法需要110多天，采用1C5A大电流加速需要60多天。这对于锂离子电池质量评定来说，还是较为漫长。

如果综合大电流加速法和拟合曲线法，可进一步缩短测试周期。方法如下：

1）选取合适的测试电流（如1C5A），进行一定次数的充放电循环（如200次，耗时约30天）；

图3 理想状态下某型号电池在不同测试电流的循环寿命曲线

图4 实际状态下不同测试电流的循环寿命曲线示意图

2）使用拟合曲线法，计算出1C5A测试时的系数kk2和k1;

3）根据y=（k k2x+k1）C5计算第400次循环时（x=400）的容量。

可以看出，采用大电流拟合曲线法可以将测试周期进一步缩短。

大电流拟合曲线法需要先进行足够数量的充放电循环，循环次数越多得到的拟合曲线越接近实际曲线。此外，需要根据电池自身特性选择合适的大电流，并考虑相应的修正系数。

5 小结

锂离子电池的循环寿命性能非常重要，可以由测试周期过长一直以来难以真正实施。通过拟合曲线法可以缩短测试周期，通过大电流加速法也可以缩短试验周期但是需要考虑修正系数，而通过大电流拟合曲线法可以进一步缩短试验周期。对于具有足够时间的质量评定，可以直接采取拟合曲线法；而对于测试周期要求较短的质量评定，可采取大电流拟合曲线法。

[1]GJB 4477-2002,锂离子蓄电池组通用规范[S].

[2]GB/T 18287-2013,移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组总规范[S].