廢舊鋰電池梯次利用容量和內(nèi)阻變化特性研究

胡 躍

（廣州中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所分所，廣東 廣州510000）

在研究過程中，鋰電池的動(dòng)力電池具有更快速且精準(zhǔn)的模式。鋰離子電池通過不斷的技術(shù)改進(jìn)以及升級(jí)，其已經(jīng)在上海世博會(huì)等得到了有效推廣。但在大規(guī)模應(yīng)用中，依然存在一些亟待解決的問題。如鋰電池成本較高，且鋰電池直接淘汰將造成資源的浪費(fèi)。鋰電池的相關(guān)電池問題亟待解決，這些問題如沒有得到有效解決，將導(dǎo)致出現(xiàn)阻礙鋰電池使用的問題。鋰電池具有明顯使用特性，其整體的性能要求較低。例如，在儲(chǔ)存系統(tǒng)中，電動(dòng)汽車淘汰電池具備在儲(chǔ)存系統(tǒng)的規(guī)模分散條件，因此在定值梯次利用中，可以根據(jù)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，滿足其功率以及能量需求，并將其應(yīng)用至其他領(lǐng)域，充分發(fā)揮自身的剩余價(jià)值。這對(duì)其未來發(fā)展具有重要意義，同時(shí)也是鋰離子電池在電動(dòng)汽車上的推廣因素。

1 電池梯次利用現(xiàn)狀研究

在電池梯次的利用現(xiàn)狀中，電動(dòng)汽車目前是我國集中發(fā)展的領(lǐng)域之一。目前我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力整體增強(qiáng)，居民的生活水平直線上升，因此，未來汽車將得到全面普及。作為革命性的目標(biāo)，電動(dòng)汽車的出現(xiàn)可以有效解決現(xiàn)有汽車領(lǐng)域的問題，例如對(duì)環(huán)境造成惡劣的影響、汽車燃油資源的消耗等。汽車在發(fā)展中，世界各國政府都針對(duì)汽車的污染投入了較高的關(guān)注度，提供了大量的人力、物力、財(cái)力。而電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，有效避免了空氣污染。目前，全國電動(dòng)汽車的保有量已達(dá)到500萬輛規(guī)模。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車核心部分[1]。文章根據(jù)鋰電池的電池梯次進(jìn)行分析，并根據(jù)其整體的說明，進(jìn)行二次領(lǐng)域研究，并根據(jù)其電子電池的利用領(lǐng)域過程以及相關(guān)步驟等進(jìn)行初步探究。通過多樣性的方法，可以有效地針對(duì)經(jīng)過使用已報(bào)廢的鋰電池，完成篩選[2]。

通過我國的發(fā)展研究，可以有效知曉在鋰電池使用過程中，將容量峰值以及老化電池作為篩選的依據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，考慮鋰電池的利用以及其報(bào)廢后的社會(huì)治理成本制定有力的執(zhí)行方案。根據(jù)電池成本可以充分分析電池梯次利用可行性，以有效地根據(jù)其整體的使用模式達(dá)成適用領(lǐng)域。目前，我國在研究推廣計(jì)劃中，將電池梯次的利用技術(shù)納入市場范圍，制定對(duì)電池技術(shù)進(jìn)行篩選原則。根據(jù)其相關(guān)方法以及系統(tǒng)方案進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)有效地導(dǎo)入，具有重大創(chuàng)新性[3]。

2 鋰電池的循環(huán)壽命研究分析

近年來，針對(duì)國外關(guān)于鋰電池循環(huán)壽命的研究，可分為以下兩類：其一為基于經(jīng)驗(yàn)的方法；其二為基于性能的方法。其中，在基于經(jīng)驗(yàn)的方法中，循環(huán)周期數(shù)法是有效的代表。該方法通過對(duì)電池循環(huán)周期的計(jì)算，可以對(duì)電池的使用次數(shù)進(jìn)行限制。在相關(guān)研究中，可以有效地達(dá)到某一范圍內(nèi)。鋰電池達(dá)到使用壽命后，根據(jù)實(shí)際使用中的經(jīng)驗(yàn)，滿足使用條件的設(shè)定[4]。

而基于性能的壽命預(yù)測方法，可以從鋰電池的參數(shù)以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)著手，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析出鋰電池內(nèi)部導(dǎo)致容量衰竭的重要原因，并設(shè)定單粒子模型，通過模型可以有效描述電池電量老化因素影響的規(guī)律。包含溫度、電壓以及荷載等操作方法，適用于相關(guān)條件的運(yùn)行方法。在相關(guān)策略的分析中，與其他的方法相比更為細(xì)致。但整體的模型需要精細(xì)的參數(shù)，因此復(fù)雜程度較高。

3 鋰電池的工作原理

鋰電池在工作中，以相關(guān)的碳柔性材料為主，完成鋰電池材料的有效連接。在相關(guān)的電池中，其相關(guān)的電池物內(nèi)含無窮，通過化合物及電解質(zhì)溶解的鋰鹽，完成鋰電池的充電、放電。在對(duì)鋰電池的工作原理分析中，可以根據(jù)其相關(guān)的負(fù)極溶解鋰鹽，形成有機(jī)溶劑。在正常充電、放電狀態(tài)下，鋰離子在從重結(jié)構(gòu)以及層狀結(jié)構(gòu)氧化當(dāng)中，可以引起材料的變化。在充放電過程中，鋰離子的充電反應(yīng)方程式有以下三種[5-7]：

其一，正極反應(yīng)：LiMyOz——Li(1-x)MyOz+xLi++xe；

其二，負(fù)極反應(yīng)：xLi++xe+6C——LixC6；

其三，電池反應(yīng)：LiMyOz+6C——Li(1-x)MyOz+LixC6。

尖晶石是鋰電池中的一種物質(zhì)，其來源廣泛且價(jià)格較為低廉。在Mn3+、Mn4+中，二者的綜合比例各占50%。因此，在充電過程中，鋰電池的內(nèi)部尖晶石比例由50%上升至70%。且多出的鋰離子在電極溶液中能夠完成正極移動(dòng)，促使鋰離子中的負(fù)極處于負(fù)級(jí)，有效地完成應(yīng)用分析。并且相關(guān)的鋰離子處于脫鋰狀態(tài)，二者為了有效確保電荷平衡，實(shí)現(xiàn)電子補(bǔ)償，應(yīng)嘗試從外部電路中實(shí)現(xiàn)負(fù)極鋰離子以及電子的集中整合。確保其整體符合周圍的原子，從新形成的鋰原子，插入到石墨晶體的晶狀層。在放電過程中，可以根據(jù)鋰原子在石墨晶體內(nèi)部完成表面移動(dòng)，并生成鋰離子和電離子。在鋰電池的循環(huán)使用、放電過程中，經(jīng)過電解液后回到正極。正極鋰離子聚集較多，為了補(bǔ)償電荷、電子，在外電路中也可以通過負(fù)極流向正極。

4 梯次利用鋰離子電池循環(huán)的性能測試

在本課題的研究中，通過選取測試對(duì)象，可以將測試對(duì)象定為電動(dòng)汽車淘汰電池中的第10項(xiàng)電池。淘汰的相關(guān)電池，其內(nèi)部包含了4個(gè)串模組，每個(gè)模組包含4個(gè)電池模板，共計(jì)64只單體電池。單體電池的額定容量為90Ah。在鋰電池梯次利用中，其更換方式在固定時(shí)間（鋰電池報(bào)廢時(shí)間）在每一模塊中單獨(dú)剔除。在剔除后，去除單個(gè)舊電池，并補(bǔ)上全新生產(chǎn)電池。在本課題的研究中，可以對(duì)梯次利用電池循環(huán)特性進(jìn)行研究。根據(jù)電池的老化情況、使用路徑等對(duì)電池的影響較大，因此必須選取電池中的48只電池進(jìn)行初步篩選。根據(jù)實(shí)際容量，分析整體的內(nèi)阻參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)模式確定[8-9]。

此外，進(jìn)行歐母內(nèi)阻，首先在實(shí)際容量確定中將整體保持在25℃，靜置4小時(shí)。在測試過程中，考慮到廢舊鋰電池的靜置時(shí)間較長，因此在進(jìn)行初始容量標(biāo)定時(shí)，為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有明顯的可行性，必須進(jìn)行電池活化試驗(yàn)。例如，可用相關(guān)的電流和內(nèi)電壓進(jìn)行充電，在充電完畢后靜置15分鐘。在活化測試完畢后，進(jìn)行歐姆內(nèi)阻測試。在測試中，保持25℃，靜置1小時(shí)。最后，采用相關(guān)的電流恒流，對(duì)其進(jìn)行充電。電壓截止至4.2V，最后轉(zhuǎn)為恒壓充電電流，降低0.05℃，靜置1小時(shí)。在綜合確定了后，以脈沖放進(jìn)1小時(shí)后，在內(nèi)電壓和電流之間的情況比較作為電池歐姆內(nèi)阻，隨后進(jìn)行制定以清除電流。

5 循環(huán)過程基礎(chǔ)性能測試的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

5.1 容量測試方法

電池在長期使用中，其實(shí)際容量有可能會(huì)出現(xiàn)一定的衰退。因此，根據(jù)鋰電池的整體健康狀態(tài)，必須進(jìn)行有效評(píng)估。通過綜合評(píng)估，可以對(duì)廢舊鋰電池在報(bào)廢前的循環(huán)模式實(shí)現(xiàn)有效認(rèn)知。在循環(huán)過程技術(shù)測試中，整體的測試流程需要模擬實(shí)際使用情況。可根據(jù)以下方法，將容量測試的模式、電壓、溫度等進(jìn)行設(shè)定：

其一，將電池保持在25℃環(huán)境中，靜置1小時(shí)；

其二，通過電流恒流，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。并將電壓截止至4.2V，在恒壓充電結(jié)束后靜置30分鐘；

其三，通過電流橫流放電，并截止電壓。需要設(shè)定電壓，可保持在3V，并靜置30分鐘，重復(fù)以上步驟5次。在測試完畢后，根據(jù)5次發(fā)出的不同容量，為當(dāng)前循環(huán)次數(shù)下的電池實(shí)際容量。

5.2 內(nèi)阻測試方法

在實(shí)驗(yàn)中，基于內(nèi)阻測試，可以得出多樣性測試方法，主要可根據(jù)以下流程進(jìn)行：

其一，將電池保持在25℃環(huán)境中，靜置1小時(shí)；

其二，通過電流恒流，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電（設(shè)置17A）。并將電壓截止至4.2V，在恒壓充電結(jié)束后（2.5A），靜置30分鐘；

其三，在內(nèi)阻測試中，根據(jù)0.6電流恒組值，使其整體達(dá)至10%，靜置1小時(shí)。重復(fù)以上步驟10次。在測試完畢后，根據(jù)10次發(fā)出的不同容量，為當(dāng)前循環(huán)次數(shù)下的電池實(shí)際容量。

5.3 極化內(nèi)阻測試方法

在研究過程中，根據(jù)極化內(nèi)阻的測量方法，可以以恒流方式，將電池充滿最后靜置1小時(shí)，再根據(jù)以下流程進(jìn)行：

其一，將電池保持在25℃環(huán)境中，靜置1小時(shí)；

其二，通過電流恒流，對(duì)鋰電池進(jìn)行充電（設(shè)置0.3C）。并將電壓截止至4.2V，在恒壓充電結(jié)束后（2.5A），靜置30分鐘；

其三，在極化內(nèi)阻測試中，根據(jù)SOC電流恒組值，使其整體達(dá)至10%，靜置1小時(shí)。重復(fù)以上步驟20次。在測試完畢后，根據(jù)20次發(fā)出的不同容量，為當(dāng)前循環(huán)次數(shù)下的電池實(shí)際容量。

根據(jù)以上的流程可以得知，其電流在極化電壓以及阻抗電壓中，二者較大。同時(shí)，電壓的恒值與電流倍數(shù)有關(guān)。越大對(duì)應(yīng)的相化，其整體電壓便越大。在極化內(nèi)阻中，呈現(xiàn)出電流越小，其整體抗阻越大的趨勢(shì)。為了深度分析其中的原因，可以采取10%~20%SOC。在相關(guān)的倍率測試下，完成計(jì)劃添加，并在其相關(guān)的電流為零時(shí)，計(jì)劃電壓為0。以電流“E”為自變量，進(jìn)行綜合模式的擬定。

6 梯次利用鋰離子電池容量循環(huán)特性

在本文研究中，本文針對(duì)鋰電池的實(shí)際使用情況設(shè)定了三個(gè)相應(yīng)的說明實(shí)驗(yàn)。根據(jù)倍率應(yīng)力以及區(qū)間應(yīng)力之間的耦合指數(shù)，以分析廢舊鋰電池的梯次利用容量。在累計(jì)使用容量中，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得知其整體的實(shí)際容量衰退分為三部分，每一部分的電池性能衰退將會(huì)造成一定的流量損失。在電化學(xué)熱學(xué)理論中，其認(rèn)為電流無限小時(shí)，電池的內(nèi)阻降壓反而較小。在電池充放電過程中，其維持平衡電位。此外，電池處于熱力平衡狀態(tài)。電池釋放出的容量略等于電池的最大容量，在電池的老化過程中，可以使用容量的變化試劑表征相關(guān)變化。在代表相關(guān)的初始實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)電流釋放的容量，計(jì)算循環(huán)次數(shù)，完成有效切換。

在相關(guān)的容量分析下，通過0%~90%SOC循環(huán)期間的容量衰退情況，可以得知在相關(guān)循環(huán)利率之中，二者的實(shí)際容量衰退較近。根據(jù)各區(qū)間的容量衰退，導(dǎo)致整體的容量次數(shù)具有一定的比值變化。在經(jīng)過相關(guān)測試后，大體可以增加80%。在此階段，鋰電池使用期間，有可能會(huì)出現(xiàn)加速衰退。在800~900循環(huán)容量中，其衰退率增加2.88%?？梢缘弥撊萘克ネ藚^(qū)間可以成為容量衰退的最快區(qū)間。為了更好地深入研究相關(guān)原因，可以對(duì)比該區(qū)間800次循環(huán)以及修改次循環(huán)后的相關(guān)圖譜，以分析相關(guān)的峰值高度。在電池內(nèi)部副反應(yīng)中，其消耗了部分正負(fù)極可自由活動(dòng)的鋰離子。在充電過程中，體系中的鋰離子量其峰值位置高度均不變，在后期充電過程中，鋰離子的量可以使鋰電池的充電過程充分反應(yīng)。

7 結(jié)束語

綜上所述，在廢舊鋰電池的處理模式中，可以根據(jù)廢舊鋰電池的梯次容量以及內(nèi)阻變化特性進(jìn)行研究。通過綜合性的模式，得出更合理的結(jié)論。在實(shí)際的鋰電池峰值傳輸以及鋰電池的工作原理中，其整體的康復(fù)性可以有效設(shè)定相關(guān)的模型。對(duì)比新舊電池的特性參數(shù)，根據(jù)電池老化過程中的歐姆內(nèi)阻以及化學(xué)計(jì)算公式，使之更具備明顯的電池健康狀態(tài)，進(jìn)行有效連接。