由於電池老化過程中內部的化學變化，鋰離子電池的容量會損失。 電化學模型顯示SEI層生長鋰沉積和電極老化會導致容量衰減，縮短電池壽命。外部因素也會影響電池性能和整體壽命，因此電池管理對於鋰電池容量損失至關重要。
關鍵要點
鋰電池容量衰減主要是由於SEI層生長、鋰沉積和電極磨損等內部變化導致電池保持電量的能力降低。
您可以透過控制溫度、使用適當的充電方法以及在陰涼環境中存放部分充電的電池來延長電池壽命。
強大的電池管理系統有助於監控電池健康狀況、防止過度充電、優化使用情況以減緩容量損失並提高可靠性。
第一部分：導致鋰電池組容量損失的原因
了解導致鋰電池組容量衰減的原因，對於優化關鍵業務應用的效能並延長使用壽命至關重要。鋰離子電池的容量衰減是由於內部化學變化和運行應力共同作用的結果。讓我們來分析一下驅動這一過程的主要機制。
1.1 鋰離子電池：離子運動
使用鋰離子電池組時，鋰離子在充電和放電循環中會在陽極和陰極之間穿梭。這種運動實現了能量的儲存和釋放。隨著時間的推移，反覆的循環會導致電池內部結構逐漸改變。您會注意到，隨著循環次數的增加，電池容量開始下降，最終導致電池容量不足以滿足您的應用需求。
統計研究證實了這個趨勢：
Spearman相關係數分析表明，健康指標與鋰離子電池容量之間存在非常強的相關性（絕對SCC>0.99），證實了容量衰減。
在 25°C 下對商用 NMC 鋰電池單元進行的實驗循環測試表明，隨著循環次數的增加，容量明顯下降，最終達到故障閾值（標稱容量的 80%）。
這些結果與預測模型和現實世界的觀察結果一致，強調了鋰離子電池容量衰減的必然性。
1.2 SEI層生長
在最初幾次循環中，陽極表面會形成固體電解質界面膜 (SEI)。隨著電池的持續使用，該膜會不斷增厚和演變。 SEI 膜的生長是導致鋰電池組容量損失的主要原因之一。
多尺度成像和化學分析表明，SEI 層從薄奈米膜生長到微米級結構，尤其是在先進陽極中的矽域周圍。
這種生長會捕獲鋰離子，使其無法用於儲存能量並導致容量損失。
元素映射顯示 SEI 中的鋰、氧和氟增加，表明正在發生的化學變化導致性能降低。
電化學建模表明，SEI 生長會消耗鋰離子濃度並降低鋰化速率，從而將 SEI 演變與容量衰減直接聯繫起來。
基於深度學習的微觀結構分析表明，經過 50 次循環後，活性域中的矽體積分數損失高達 300%，鋰被困在改變的矽核附近。
小提示: 您可以透過優化充電協議和保持適當的溫度來減緩 SEI 的成長，這有助於減少電池組中電池容量不足的情況。
1.3 鍍鋰
鋰沉積是指金屬鋰沉積在陽極表面，尤其是在快速充電或低溫條件下。這個過程是導致鋰電池組容量損失的主要原因。
鋰沉積會導致可逆和不可逆容量衰減。不可逆沉積會損害SEI層，消耗活性鋰，並增加內阻。
使用先進成像技術的實驗研究 證實金屬鋰會發生電隔離，導致活性鋰的永久性損失和進一步的容量衰減。
由於電鍍而形成的較厚、多孔的 SEI 層會抑制離子流動，降低電池性能並加速電池退化。
鋰鍍層產物的累積會引發突然的容量損失事件，即所謂的膝點效應。
請注意： 避免在高速率或低溫下充電，以盡量減少鋰鍍層並延長鋰離子電池組的使用壽命。
1.4 電極老化
電極老化是導致鋰電池組容量損失的另一個關鍵因素。隨著時間的推移，電極中的活性物質會分解、溶解或與集流體失去接觸。
定量分析利用不同 C 速率下的容量差異變異數來偵測電池退化的拐點，區分自限模式和加速模式。
此方法使您能夠評估單一細胞的健康狀況並支持細胞再利用或回收的決策。
分析模型根據電極厚度和放電率預測和優化倍率能力，為電池級電池設計和電池組優化提供見解。
方面 | 產品說明 |
|---|---|
型號 | |
關鍵變數 | 電極厚度、放電率 |
應用類型 | 電池級電池設計與優化 |
洞察 | 倍率性能受電極材料性能影響 |
1.5 副反應
電池內部的副反應也是造成鋰電池組容量損失的原因之一。這些副反應包括電解質分解、氣體形成以及過渡金屬從陰極溶解。
這些反應會消耗活性鋰和電解液，導致電池容量不足、內阻增大。
鋰庫存損失（LLI）、活性材料損失（LAM）和電解質損失（LE）都會導致容量衰減。
電池管理系統 (BMS) 在監控這些流程和優化工作條件以減緩電池退化方面發揮關鍵作用。 了解有關 BMS 操作和組件的更多資訊。
產業洞察： 全面回顧 性質 強調電池性能下降源自於複雜的內部反應，並受設計、生產和使用條件的影響。您應該在電池的整個生命週期中（從電芯設計到二次壽命應用）考慮這些因素。
統計與環境證據
下表列出了環境條件對鋰電池組容量損失的影響：
新舊程度 | 衰減率（容量衰減） | 筆記 |
|---|---|---|
室溫（0.5℃） | 每小時 0.005% | 基線降解率 |
高溫（0.5℃） | 每小時 0.07% | 降解率比室溫高14倍 |
低溫（-25°C，2C 速率） | 增加鋰電鍍和枝晶生長 | 導致容量衰減和內部短路風險 |
低溫（0.4C率） | 「死鋰」礦床的形成 | 造成不可逆的容量損失 |
低溫暴露（24小時） | 隨著循環速率的提高和暴露時間的延長，降解速度會加快 |
您必須管理溫度、充電/放電率和儲存條件，以最大限度地減少容量衰減並避免鋰離子電池組的電池容量不足。
第二部分：加速鋰電池容量損失的因素
2.1 溫度影響
您必須控制溫度才能保護鋰離子電池組的使用壽命。高溫會加速鋰沉積和SEI層的生長，導致容量快速衰減。例如，研究表明 在40°C與 25°C 或 0°C 相比，鋰庫存損失顯著增加。下表總結了影響：
溫度因素 | 產能損失趨勢 | 關鍵降級機制 |
|---|---|---|
0°C | 放慢 | SEI輕微增長 |
25°C | 中度 | 平衡的 SEI 和電鍍 |
40°C | 快 | 加速電鍍和 SEI 生長 |
將電池溫度保持在 30°C 以下有助於減緩電池效能下降並延長電池壽命。
2.2 過度充電和高電壓
過度充電或使用過高的截止電壓會損壞您的電池組。您會看到內阻增加、能量密度降低，以及鋰沉積風險增加。實驗數據證實，過度充電會導致溫度急劇升高和機械應力，進而引發安全問題。請務必使用可靠的電池管理系統 (BMS)，以防止過度充電並保護您的投資。
2.3 充電/放電率
高倍率充電和放電會加速電池效能的下降。研究表明，快速充電（尤其是在低溫下）會導致鋰離子沉積為金屬鋰，從而縮短循環壽命。高倍率放電也會增加電池內阻和容量損失。您應該優化充電方案，避免出現高電流尖峰，以最大限度地提高電池效能。
2.4 儲存條件
合適的儲存條件對電池壽命至關重要。在高電量或高溫環境下儲存電池組會加速老化。受控實驗表明，熱管理系統（例如相變材料）有助於調節溫度並延長循環壽命。為獲得最佳效果，請在部分充電狀態下將電池組儲存在陰涼乾燥的環境中。
2.5 深度循環與部分循環
深度循環（完全充電到完全放電）會縮短電池壽命。 部分騎行例如，在 25% 到 75% 的充電狀態下運行，可以讓電池組在容量降至 80% 以下之前完成更多循環。產業數據顯示，部分循環可以讓電池組的使用壽命幾乎翻倍。
2.6 日曆老化
即使不使用，鋰離子電池也會隨著時間而老化。日曆老化是由電池內部持續發生的化學反應引起的。您可以將電池組存放在適宜的溫度下並保持部分充電狀態，從而減緩此過程。
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由於SEI膜生長、鋰沉積和電極退化，電池容量會下降，這些因素都會縮短電池壽命。研究表明，日曆老化也會降低電池容量。 追蹤長達 13 年的商業蜂窩數據:
Röder 等人 (2014) 和 Schmitt 等人 (2017) 證實，即使不循環，日曆老化也會影響電池壽命和電池容量。
較高的溫度和充電狀態會加速電池容量的損失並縮短電池壽命。
您可以透過優化充電、控制溫度和妥善存放電池組來延長電池壽命。正在進行的研究旨在提升關鍵業務應用的電池容量和電池壽命。
常見問題
1. 電池組中使用的充電電池容量損失的主要原因是什麼？
充電電池的容量損失主要源自於SEI膜生長、鋰沉積和電極退化。這些過程會減少可用的鋰，並限制電池組的性能。
2. 如何延長關鍵業務應用中可充電電池的使用壽命？
您應該優化充電協議、控制溫度，並在電池組處於部分充電狀態時進行儲存。定期監控和強大的 BMS 有助於最大限度地延長可充電電池的使用壽命。
3.為什麼電池組的充電電池在高溫環境下效能下降得更快？
高溫會加速充電電池內部的化學反應，加速SEI膜的生長和鋰的沉積，導致容量損失更快，並降低電池組的可靠性。
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