LiFePO4动力电池加速循环寿命实验研究

卢立丽，王庆华，于 冰，马洪斌

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

电动汽车的出现在一定程度上缓解了严峻的环境保护压力，而锂离子电池由于其能量密度高、寿命长等优势在电动汽车上得到了大规模应用[1]。电动汽车需要达到长达10 年以上的使用服务周期，这对其核心部件之一的锂离子电池寿命提出了很高的要求，锂离子电池寿命评价也越来越重要。现有标准GB/T31484-2015 中锂离子电池循环寿命实验方法在一定程度上反应了样品的实际循环寿命，但是实验周期长，检测成本高，如何通过高效的实验方法对动力锂离子电池寿命进行量化评估，已成为新能源汽车行业当前亟需解决的问题之一。

自Goodenough 等于1997 年提出LiFePO4正极材料以来，为了寻找电池容量衰减规律，不少学者开展了大量实验性工作，文献[2]设计了循环对比实验，包括温度、放电深度以及放电倍率等因素，并建立了老化模型。文献[3]采用荷电状态(SOC)变化率、温度及充电效率建立了循环寿命模型。文献[4]为验证Arrhenius 定律适用于电池老化，设计了不同SOC、温度条件的循环。已有的加速实验大多仅适用于某一类型或特定场所适用的电池，而且都没有对加速寿命实验参数选取进行介绍。

本文以GB/T 31484-2015 标准循环寿命[5]测试方法为基础，设计了以充电倍率、放电倍率、环境测试温度以及多因素耦合为测试条件的加速寿命影响的实验。通过对循环寿命曲线分析，找到一种加速循环寿命的测试方法。

1 实验

1.1 样品选用与实验准备

实验选用某公司经过多个批次产品研制、工艺稳定、已作为成熟产品投放市场的18650 磷酸铁锂动力电池作为研究对象，基本参数如表1 所示。

表1 动力型磷酸铁锂电池基本参数

样品实验前，首先对实验电池参照GB/T 31484-2015 初始容量测试方法进行初始容量标定，以确保样品初始条件的一致性。

1.2 实验参数选取与测试条件

国内对新能源汽车动力电池的报废标准是电池容量低于初始容量的80%，锂离子电池标准循环寿命容量衰退至80%之前，标准循环寿命容量衰退曲线一般呈指数分布。加速寿命实验参数选取的前提条件是循环容量衰退机理具有一致性，即电池循环寿命与实验参数之间存在确定的规律性。加速寿命曲线出现异常的非指数分布则认为加速实验参数无效，否则认为加速实验参数有效。LiFePO4动力电池容量衰退影响因素很多，一般认为温度和工作电流(充、放电倍率)是锂离子电池容量衰退的两个主要因素。电池实际工作温度是环境测试温度和工作电流产热共同作用的结果，温度主要影响电池内部化学反应速率以及正负极活性材料和电解液中Li+迁移速度。充、放电倍率主要影响电解液、电极中Li+的分布梯度和界面的析锂，一般放电倍率性能优于充电倍率。Li+在锂离子动力电池工作过程中具有至关重要的作用，与充、放电倍率和温度均具有密切的关系，但是电池内部充放电机理复杂难以开展加速寿命研究，本文借助电池外参数实验规律寻求倍率、温度与循环寿命的关系，实验设计了四组环境温度[25(室温)、35、45、55 ℃]及多种类倍率测试，充放电间歇0.5 h，同类型实验设置3 只电池并行实验，实验结果一致前提下随机取任意一只电池实验数据，截止实验条件为容量衰退至初始容量的80%或者实验循环达到1 000 次。实验分配列表如表2 所示。

表2 样品测试条件

2 结果与讨论

2.1 环境温度对循环寿命的影响

图1 为四种不同环境测试温度[25(室温)、35、45、55 ℃]条件下标准循环倍率的循环寿命曲线，随着测试环境温度的增加，加速寿命能力随之提高。图2 为55、60 和65 ℃环境测试温度条件下标准倍率的循环寿命曲线，循环寿命出现了较强的一致性。

图1 不同环境测试温度下标准循环倍率循环寿命曲线

图2 不同环境测试温度下0.5 C充-1 C放循环寿命曲线

由环境测试温度对循环寿命曲线影响可知，环境测试温度作为加速寿命实验条件通过加速循环容量衰退速率实现寿命加速，在一定环境测试温度范围内温度具有显著加速寿命能力，继续升高温度不再具有加速作用。

2.2 充电倍率对循环寿命的影响

图3 为室温条件下1C放电、不同倍率充电的循环寿命曲线。标准循环倍率的容量衰退曲线呈平滑线性衰退，提高充电倍率时，前200 次循环与标准循环倍率的容量衰退曲线趋势一致，但是随着循环次数的增多，加大充电倍率的实验电池在实验条件截止前出现了容量快速衰退拐点，而且充电倍率越大，容量快速衰退拐点出现越早。图4 为不同环境测试温度条件下1C充-1C放循环寿命曲线，测试温度升高，容量快速衰退拐点消失。

图3 室温下不同充电倍率循环寿命曲线

图4 不同环境测试温度条件下1 C充-1 C放循环寿命曲线

由充电倍率对循环寿命曲线的影响可知，环境测试温度影响充电倍率加速寿命能力，随着温度的提高，充电倍率加速循环寿命能力随之提高。充电倍率作为加速实验条件以缩短单次循环时间实现寿命加速，但是自身加速能力较弱，需要耦合适当的环境测试温度达到加速目的。

2.3 放电倍率对循环寿命的影响

2.3.1 放电倍率对循环寿命曲线的影响

图5 为室温条件下0.5C充电、不同倍率放电的循环寿命曲线。随着放电倍率增加，循环容量衰退速度加快，3C放电时，容量衰退曲线出现了快速衰退拐点，而且随着倍率的增加，衰退拐点出现越早。

图5 室温下不同放电倍率循环寿命曲线

2.3.2 放电倍率对电池循环温度的影响

图6 为不同倍率实验电池表面温度测量图，热电偶贴于电池中间位置，室温环境下，自然对流条件散热。图7 为实验电池不同放电倍率时电池表面温度变化曲线，随着电池放电倍率的增加，电池放电过程累积热量逐渐增多，室温1C放电时，电池热量积累至放电结束，最高温度仅为28.8 ℃，室温4C放电结束时电池表面温度高达48.5 ℃。充放电间隔0.5 h，电池表面温度均降至接近室温，消除了循环之间热量累积影响，间隔时间满足每次循环起始温度相同。

图6 室温下不同倍率实验电池表面温度测量图

图7 实验电池表面温度随充放电变化曲线

综上，放电倍率作为加速实验条件实现寿命加速的主要原因有两种：(1)单次循环时间缩短；(2)循环容量衰退速率加速。受电池工作机理限制，放电倍率加速寿命具有一定范围限制，只是提高放电倍率仍难以满足动力电池寿命快速评估的实际需求，需要耦合适当的环境测试温度达到加速目的。而且增加放电倍率作为测试条件时，需要考虑工作电流产热对其寿命的影响。

2.4 多因素耦合加速寿命实验验证

选取充、放电倍率和环境测试温度三因素耦合的加速实验参数进行加速寿命实验，参数如表3 所示，容量衰退曲线如图8 所示。

表3 多因素耦合加速寿命实验参数表

图8 加速循环寿命与标准循环寿命曲线图

标准循环寿命循环至1 000 次时容量衰退至首次循环容量的89.93%，耗时为4 h×1 000 次=4 000 h。加速循环寿命循环至417 次时容量衰退至首次循环容量的89.93%，耗时为2.333 h×417 次=973 h。当标准循环寿命循环1 000 次时，同等容量衰退的加速循环寿命实验耗时为标准循环寿命的24.32%。

3 结论与展望

通过磷酸铁锂动力电池加速循环寿命实验研究发现，充、放电倍率和环境测试温度均具有循环寿命加速能力，并且互相影响。其中，充、放电倍率分别在一定温度范围具有相应的加速循环寿命能力，但是受电池充放电机理限制仍需耦合环境测试温度实现寿命加速。电池工作温度在25～55 ℃具有显著的加速效果，55～65 ℃之间不具有加速效果，在环境测试温度55 ℃以内，合理的选取环境测试温度及充放电倍率可实现循环寿命加速，达到循环寿命高效评估目的。

本文实验研究基于一种型号的磷酸铁锂电池，根据本文实验结果需要在以下方面做进一步研究工作：扩展多种型号的磷酸铁锂电池，验证规律的一致性；确定充、放电倍率以及温度加速循环寿命测试参数失效边界，为多加速参数耦合的加速寿命模型的建立确定加速循环寿命能力极限，综合减少单次循环时间和总循环次数，实现电池循环寿命高效评估。