电池热分析

对于产品设计师来说，了解影响电池寿命的因素是非常重要的，特别是具有高成本，高功率电池的产品性能和保修责任管理。提供太低的保修期，你不会卖任何电池/产品。高估了电池寿命，你可能会失去一笔财富。

* * * * * * 电池有一个有限的生命是由于不必要的化学或物理变化的发生，或损失，他们所做的活性材料。否则，他们将无限期地持续下去。这些变化通常是不可逆的，它们会影响电池的电性能。本页介绍影响电池寿命的因素。

电池寿命通常只能通过防止或减少在细胞中产生的不必要的寄生化学效应的原因来扩展。也被认为是改善电池寿命，因此可靠性的方法也被认为是。

日历寿命和循环寿命 电池性能随着时间的推移，是否使用或不使用电池。这就是被称为“日历褪色”。性能也会随着使用而恶化，这被称为“周期淡出”

电池日历寿命是时间的前一个电池变得不能使用，无论是在使用或无效。有两个关键因素影响日历寿命，即温度和时间，和经验证据表明，这些效果可以表示为两个相对简单的数学依赖关系。来自Arrhenius Law的一个经验法则描述了一个化学反应所得的速率，每10度增加一倍，在这种情况下，它适用于活性化学品的缓慢恶化的速率增加。同样，T1／2（或√T）关系表示电池的内阻也随时间t的下面的图说明了这些影响。日历寿命 电池的保质期像日历寿命时间闲置的电池可以存储在它变得可用，通常只有80%的它的初始容量。参见电池存储 电池循环寿命被定义为一个电池可以执行的完整的充放电周期的数量之前，它的标称容量低于其初始额定容量的80%。影响循环寿命的关键因素是时间T和充放电周期完成的数n。一个明显的例子是放电深度（见下文），这是一个简单的相互数学关系，但也有许多更复杂的因素，也可以影响性能。 500到1200个周期的寿命是典型的。实际老化过程的结果随着时间的推移逐渐减少。当一个单元格到达指定的生命周期时，它不会突然停止工作。老化过程以相同的速率持续下去，以至于一个容量下降到1000的细胞在80%个周期后可能继续工作到2000个周期，当其有效容量将下降到其原始容量的60%。因此，没有必要担心当一个细胞到达其指定的生命的尽头时突然死亡。参见性能特性。 循环寿命的另一种方法是基于细胞的内部电阻。在这种情况下，循环寿命被定义为电池可以在其内部电阻增加之前完成的周期数，通常是新的1.3倍或倍时的初始值。 在这两种情况下，循环寿命取决于放电的深度，并假定电池完全充电和放电，每个周期。如果电池只是部分放电，每一个周期，那么循环寿命将更大。见下面的放电深度。因此，重要的是，应规定的放电深度时，指定的循环寿命。当电池系统被指定时，它通常是尺寸的电池，其寿命的结束，而不是它的容量时，新的。 也见生命的意义 谨防不适当的测试条件 下面的图显示了用于电动汽车销售在美国明显的结论就是，电池制造商的循环测试的结果，如果电池完全放电和充电，在大多数的时间里，他们将是很好的至少500个周期，就相当于一至两年的驾驶，如果电池只有部分排出每一天甚至更长的时间。 但在加利福尼亚和亚利桑那州的车主经历了只有几个月的电池寿命只有前几个月的容量下降到80%的“新”的价值与典型的容量减少27.5%，只有300个周期，即使环境温度远低于60°C导致投诉，诉讼和尴尬的电动汽车制造商。 不合适的测试条件 的解释是，循环测试是典型的重复循环进行，在指定的充电周期之间的1.5和非常短暂的休息时间2.5C放电率使电池充电40分钟，在24分钟内以超过每小时排放周期。按这个速度，500个周期将在大约三个星期内完成，但在实际使用中，需要近两年完成500个周期。得出的结论是，“测试周期”持续一个小时的时间远短于典型的“使用周期”，可能持续一天或更多，典型的“加速”周期测试没有考虑到细胞老化与日历寿命的影响，我们知道从上面的图表，日历寿命是高度依赖于环境温度。 这已被证实的测试，矛盾的显示，尽管预期的良性效果较低的操作C速率，通过降低充电和放电率的C / 100或C / 200，即200小时或更多的每一个完整的周期，电池寿命实际上减少，特别是在高温下。这是简单地因为日历生命的损失变得更加显着的周期时间更长。 因此，必须计算的预期寿命的组合的循环寿命和日历寿命。然而这是一个漫长而昂贵的过程需要多少样品循环结束其使用寿命和其他在不同环境条件下不同温度测试。看到一个非常规的替代循环测试（以下）来确定电池的寿命，可以解决这个问题。 日历生命损失的最重要的原因是在电池阳极表面的一层不需要的化学物质的钝化层，增加了它的阻抗，同时减少了电池中的活性化学物质的体积。看到更多关于下面的钝化层。 应该指出的是，所涉及的模型没有一个积极的热管理系统，可以减少这个问题，保持电池的冷却，至少有一些时间。 化学变化 电池是将化学能转化为电能的电化学装置，通过控制一组活性化学物质之间的化学反应来转化化学能或反之亦然。不幸的是，所需的化学反应，电池通常是伴随着不必要的，寄生的化学反应，消耗一些活性化学物质或阻碍他们的反应。即使细胞的活性化学物质不会随着时间的推移而受到影响，细胞可能会失败，因为不需要的化学或物理变化的密封保持电解质的地方。 活性化学物质的消耗 在压力、温度、电场和反应持续时间的不同条件下，细胞中的活性物质可能会在许多不同的方式分解或组合。据郭贤亮的材料公司Phostech锂，下列组合中使用的磷酸铁锂电池阴极元素已经除了所需的活性化合物LiFePO4在一些不纯的产品发现： Fe3（PO4）2，Li3Fe2（PO4）3，fe2po5，2P2O7，FePO4，Fe（PO3）3、Fe（PO4）6，fe2p4o12，Fe3（PO4）2、Fe3（P2O7）2，fepli2o，LiPO3、Li2O、Li3PO4，li4p2o7，Fe2O3，Fe3O4，FeO、Fe、FEP、铁酸锂，li5feo4，lifep2o7，li2fep2o7，li9fe3（P2O7）3（PO4）2，P2O5，及其他。这些化合物是从正极材料中产生的，但在阳极、电解质、粘合剂和其他添加剂中存在许多其他的元素，使更多的组合成为可能。其结果是在细胞中的活性化学品的数量减少，从而减少细胞容量。 的活性化学物质的污染也创造了种子点，从中进一步的不必要的化学反应，可能会开始。使电池过多的电流也会带来这些问题，从而导致电池循环寿命的减少。在充电器的一节中看到充电时间和在钝化和充电率以下的说明。 这是任务的细胞设计师和电池应用工程师创建的电化学配方和稳定的工作条件，以确保所需的反应进行了优化和抑制不良的副作用。 温度的影响 电池内部的化学反应是由电压或温度驱动的。电池的温度越高，化学反应就会越快。因此，高温可以提供更高的性能，但在同一时间的不必要的化学反应的速率将增加，从而在相应的电池寿命损失。的保质期和电荷保持依赖于自放电速率和自放电是在细胞中的一个不必要的化学反应的结果。同样不利的化学反应如电极的钝化，腐蚀和毒气的常见原因减少循环寿命。因此，温度影响的保质期和循环寿命，以及电荷保持，因为他们都是由于化学反应。即使是专门设计的周围的高温化学反应，（如斑马电池）的电池是不免疫热诱导的故障，这是细胞内的寄生反应的结果。 阿伦尼乌斯方程定义了温度和化学作用进行的速率之间的关系。它表明，速率随着温度的升高呈指数增加。它是由： K =一个 — EA／RT 哪里 钾是化学反应所得的速率A是一个与分子之间的碰撞频率相关的频率因子，通常被视为一个恒定的在小的温度范围内。 E是数学常数= 2.71828 的激活常数，代表发生反应所需的最小能量 R是通用气体常数 T是开尔文温度 作为一个更方便的拇指规则，一个近似，这是真正的室温周围的温度-每10°C的温度增加，反应速率增加一倍。因此，一个小时在35°C是相当于电池寿命在25°C的两个小时，热是电池的敌人，正如阿伦尼乌斯显示，即使是小的温度增加将有一个重大影响电池性能影响所需的和不需要的化学反应。 下面的图显示了如何高容量铅酸蓄电池用管状铁定在5年待机应用寿命随工作温度。请注意，在35°C运行，电池将提供超过他们的额定容量，但他们的寿命相对较短，而一个扩展的寿命是可能的，如果电池保持在15°C 随着贮藏温度条件下，镍金属氢化物的重要性的一个例子（NIMH）化学特别是高温度非常敏感。测试表明，连续暴露45°C将由百分之60个i-mh电池循环寿命降低和所有的电池，自放电率双打各10°C升高温度。 随着时间的推移，细胞的逐渐恶化，在滥用的条件下，温度的影响可能会导致细胞过早衰竭。这可能发生，即使在正常的操作条件下，如果在电池中产生的热量超过热损失率的环境。在这种情况下，电池的温度将继续上升，导致一个被称为热失控的条件，最终导致灾难性的后果。得出的结论是，在储存或使用过程中的温度升高，严重影响电池的寿命。 在锂电池故障和热管理部分的章节中看到更多的信息。 压力的影响 这些问题只涉及到密封的细胞。 在细胞内增加的内部压力通常是温度升高的结果。有几个因素可以起到作用，造成温度和压力的上升。过多的电流或高的环境温度会导致细胞温度上升和产生的活性化学物质的膨胀，反过来会导致细胞内的内部压力上升。滥也导致温度的升高，但更严重的是，滥也能造成更大的建立在内部压力气体的释放。 不幸的是，增加的压力倾向于放大的高温度的影响，通过增加在细胞中的化学行动的速率， 不仅是所需的电流反应，但也有其他因素，如自放电率或在极端的情况下，有助于热失控。过多的压力也会导致细胞内的机械故障，如部件之间的短路，电流路径的中断，细胞外壳的变形或肿胀，或是最坏的情况下，电池外壳的实际破裂。所有这些因素往往会减少潜在的电池寿命。 我们通常会期望这些问题只发生在滥用的情况下。然而，制造商无法控制用户如何对待的细胞一旦他们离开工厂和安全原因，压力释放喷口内置到细胞提供了一个控制释放的压力，如果有可能性，它可以达到危险的水平。 外部压力，或缺乏它，也可能是问题时，电池是由空气输送。货舱内的低压力可能会导致排气和电解质的损失。 见电解质的保护/排气和损失 放电深度（美国国防部） 在一个给定的温度和放电速率下，每一个充放电循环转化的活性化学物质的量将与放电的深度成正比。 循环寿命和放电深度之间的关系似乎是对数的，如下图所示。换言之，由电池产生的周期数呈指数级的较浅的美国国防部。这适用于大多数细胞化学。 然而，曲线看起来像一个对数曲线。它实际上是对数纸上绘制的倒数曲线。 放电深度与循环寿命 国防部与生活 上面的图是构建了铅酸电池，但以不同的比例因子，所有化学电池包括锂离子是典型的。这是因为电池的寿命取决于活性化学物质能容忍的总能量吞吐量。忽略其他老化的影响，总能量吞吐量是固定的，使一个周期的100%个国防部是大致相当于2个周期在50%个国防部和10个周期在10%个国防部和100个周期在1%个国防部。也看到循环寿命，显示了电池的性能如何减少由于电池老化的活性化学品的恶化。 这里有重要的经验，无论是设计师和用户。通过限制可能的应用程序中的国防部，设计人员可以极大地提高产品的循环寿命。同样的，用户可以获得更长的寿命的电池使用容量略超过所需的电池或通过充电电池之前，它变得完全放电。细胞用于“微循环”应用程序（小电流放电和充电脉冲）的循环寿命300000到500000个周期的共同。手机用户通常为他们的电池充电时，国防部只有约25至百分之30。在这个低国防部的锂离子电池可以预期达到5和6倍之间的指定的周期寿命的电池，假定完全放电，每一个周期。因此，循环寿命提高显着，如果国防部减少。 镉镍电池有点例外。对电池进行只有部分放电产生所谓的记忆效应（见下文），只能通过深放电逆转。 一些应用，如电动汽车或海洋使用可能需要从电池中提取的最大容量，这意味着电池放电到一个非常高的国防部。特殊的“深周期”电池结构必须用于这样的应用，因为深放电可能损坏通用电池。特别是，典型的汽车SLI电池设计只工作到50%部，而牵引电池可以工作到80%到100%的国防部。 也可以看到电池循环寿命是如何通过循环冗余来增加的。 收费水平 通过降低充电截止电压可以提高锂电池的循环寿命。这基本上给了电池部分充电，而不是完全充电，类似于在一个较低的国防部工作，如在上面的例子。下面的图表显示了典型的循环寿命的改善可能。 循环寿命和电荷切断电压 循环寿命和充电水平 来源：财与林能源杂志，九月2002