磷酸鐵鋰電池充放電拐點(diǎn)現(xiàn)象及產(chǎn)生機(jī)理

一只180Ah磷酸亞鉄鋰動力鋰離子電池在室溫下1/3C充放電的電壓曲線如圖1所示。充放電的電壓平臺都約為3.35V，充電電壓兩個(gè)拐點(diǎn)是3.25V和3.45V;放電電壓兩個(gè)拐點(diǎn)是3.4V和3.1V。鋰電池的充電過程是鋰離子從正極脫嵌，遷移到負(fù)極并嵌入的過程。當(dāng)正極鋰離子脫嵌到一定數(shù)量后，受John-Teller效應(yīng)影響，鋰離子脫嵌將變得越來越困難，需要更多的能量才能從正極板脫出。外部表現(xiàn)為極化電阻增加，電壓急劇升高。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，遷移到正極，并嵌入到正極的晶格中。當(dāng)負(fù)極的鋰離子數(shù)量降低到一定程度時(shí)，電極表面反應(yīng)速度降低，內(nèi)阻急劇增大，造成電池電壓急速下降。

筆者對國內(nèi)權(quán)威部門出具的檢測報(bào)告進(jìn)行了分析，并依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出拐點(diǎn)后的剩余容量不到電池總?cè)萘康?0%，電池有效工作平臺在總?cè)萘康?0%以上。實(shí)驗(yàn)證明，充/放電末期的“拐點(diǎn)現(xiàn)象”說明電池已經(jīng)到了容量即將充滿或即將耗盡的末端，繼續(xù)充/放電很容易產(chǎn)生因“電池電壓過充或過放”及“過電流”等災(zāi)難性后果，對鋰離子電池來說尤其可怕。由于電池長期處于過充或過放的疲勞狀態(tài)，從而產(chǎn)生的鋰枝晶會刺破電池隔膜造成電池永久性損壞，并易引起電池燃燒或爆炸，這種安全性事故在國內(nèi)屢見不鮮。

動力鋰離子電池的“拐點(diǎn)現(xiàn)象”是不可避免的。一些電池廠商宣稱可做到“充滿放光”，通常就是超電池拐點(diǎn)的極限使用，電池成組后的循環(huán)壽命大打折扣，不到單體電池壽命的一半，由此稱其為新能源汽車產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸也就不足為怪了。實(shí)踐表明，常溫下適度的充放電倍率(如0.3C-1.0C)電池會有較佳的表現(xiàn)，循環(huán)壽命也會長很多。純電動汽車要盡量避免全充全放和高倍率充/放，應(yīng)合理使用電池的平臺區(qū)。拐點(diǎn)外是電池的薄弱點(diǎn)，充/放電超過拐點(diǎn)區(qū)會對電池造成傷害，全充全放則是影響電池安全并造成循環(huán)壽命縮短的根本原因。

悖于電池客觀規(guī)律的方法和手段頻頻現(xiàn)身于電動車實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如“全充全放”理論和各種均衡理論。有些做法表面上看似解決了電池的100%的SOC充放電問題，但實(shí)質(zhì)大都是以犧牲電池循環(huán)壽命為代價(jià)，這種對電池電量采用全部“充滿榨干”的想法看似提高了電池續(xù)駛里程，實(shí)際則嚴(yán)重?fù)p壞了電池原本健康的壽命，加速了電池性能劣化，使原本循環(huán)壽命可達(dá)到1500-2000次以上的單體電池成組后只能達(dá)到原值的一半甚至只有不到200-300次的壽命周期。

無論電池成組出廠時(shí)電池一致性多么出眾，如果不采用科學(xué)管理手段并認(rèn)真對待電池拐點(diǎn)特性，在使用后期仍會出現(xiàn)電池成組特性提前劣化現(xiàn)象，這就是為什么鋰離子動力電池一直不能滿足新能源汽車性能要求的根本原因。電池作為電能容器或電能量載體，其極限應(yīng)用并不等于最佳應(yīng)用，電池成組應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量顧及拐點(diǎn)效應(yīng)，不能超限使用，充分利用好電池平臺的有效能量。此法咋看似乎是損失了些許剩余電量，卻能換得電池循環(huán)壽命成倍延長。