在電動汽車使用初期，性能體現(xiàn)最明顯的是動力電池的放電性能，在車輛上主要的表現(xiàn)為動力性能和續(xù)航。隨著時間的推移，電池的其他特性才逐漸被車輛用戶看到。繼昨天專門討論了電池放電流夾具性能以后，今天我們再看看電芯壽命、成本和內(nèi)阻。

1循環(huán)壽命

循環(huán)壽命，必然的是一個重要參數(shù)，除了與用車體驗相關(guān)聯(lián)，更是形成電池成本的一大決定性因素。循環(huán)壽命一般用下面圖中的曲線來表示，電池可用容量伴隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢。循環(huán)壽命，就是在一定的溫度、充放電倍率和充放電深度條件下，電池容量下降到80%之前，能夠進(jìn)行的循環(huán)次數(shù)。多說一句的是，說循環(huán)壽命，必須提前面三個限定條件，因為條件不同，循環(huán)次數(shù)天差地別。那個經(jīng)典句型：不提XXX的XXX，都是XXX，用在陳述電池循環(huán)壽命上，特別恰當(dāng)。

電池每次充電 - 放電循環(huán)以及它所帶來的活性化學(xué)物質(zhì)的相關(guān)轉(zhuǎn)化循環(huán)伴隨著電芯中的化學(xué)物質(zhì)的緩慢劣化，使用者對這個過程幾乎是無感的。這種惡化可能是電芯或晶體中不可避免的化學(xué)副反應(yīng)或者鋰枝晶生長，改變了構(gòu)成電極顆粒的狀態(tài)。這兩個因素都可能會降低電池中活性化學(xué)物的量，從而降低電池容量，或增加電池的內(nèi)部阻抗。

電池在規(guī)定的循環(huán)壽命結(jié)束時不會突然死亡，它會繼續(xù)正常工作，并繼續(xù)緩慢惡化，其容量將比新電池的容量顯著減少。

1）電芯循環(huán)夾具壽命的主要影響因素

溫度

50℃至60℃，是一般鋰電池能夠允許的工作溫度范圍上限。在較高溫度下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，電解液活性較強(qiáng)，容易發(fā)生分解反應(yīng)，分解產(chǎn)物與正極材料結(jié)合，是對正極材料的消耗；正極結(jié)構(gòu)材料遭到腐蝕，晶格結(jié)構(gòu)由于缺少足夠材料的支撐發(fā)生坍塌，鋰離子的空位減少，正極容納鋰離子的能力下降，使得電池容量遭受損失；

同時，正極材料反映的產(chǎn)物，游蕩在電解液中，可能附著在正負(fù)極電極的表面。電極表面被不能參與充放電過程的物質(zhì)覆蓋，阻礙了電化學(xué)過程的順利發(fā)生，電芯內(nèi)阻增加。

研究表明，高溫過程對老化的影響，主要在正極發(fā)生，對負(fù)極的影響占比較小。

環(huán)境溫度達(dá)到0℃以下，鋰電池的性能開始受到低溫的明顯影響。SIE膜，是電芯化成過程中，負(fù)極材料與電解液之間反應(yīng)生成的一層鈍化膜，對負(fù)極材料具有保護(hù)作用。

在低溫工作過程中，SEI膜生長，消耗部分電解液中的活性鋰離子，使得電解液中導(dǎo)電離子的濃度降低，電池可用容量遭到永久性損失。SEI膜的增厚，使得鋰離子穿過膜層到達(dá)負(fù)極的困難增加，與導(dǎo)電鋰離子的濃度降低問題疊加在一起，電芯內(nèi)阻隨之增大。

低溫下充放電夾具，尤其是充電電流比較大時，負(fù)極還會發(fā)生另外一個副反應(yīng)——鋰單質(zhì)析出。低溫下，鋰離子活性下降，勉強(qiáng)充電，使得過量的鋰離子聚集在負(fù)極周圍，來不及穿過SEI膜到達(dá)負(fù)極嵌入，就沉積在負(fù)極表面，形成純鋰層。這個過程在過低溫度的充電過程中容易發(fā)生，并且不可逆轉(zhuǎn)。隨著使用循環(huán)的累積，鋰單質(zhì)也會持續(xù)積累，枝晶不斷生長，使得刺破隔膜的風(fēng)險也在不斷累加。

研究表明，鋰電池低溫工作，老化問題主要發(fā)生在負(fù)極，正極的副反應(yīng)也存在，但影響不顯著。

充放電倍率

以超過設(shè)計放電能力的大電流放電，一方面，電流的熱效應(yīng)，帶來電池自身溫度的上升，高溫老化的副反應(yīng)逐漸加?。涣硪环矫?，大電流帶來了過量的鋰離子需要嵌入正極材料，對材料的穩(wěn)定性造成沖擊。而負(fù)極由于快速失去大量鋰離子，表面的SIE膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，部分破裂，造成電解液與碳負(fù)極的進(jìn)一步反應(yīng)，消耗活性鋰離子的數(shù)量。

大電流充電，同樣存在發(fā)熱問題和正極材料脫嵌穩(wěn)定性問題。同時，過多的鋰離子運(yùn)送到負(fù)極，超過負(fù)極的擴(kuò)散能力，使得鋰單質(zhì)沉積現(xiàn)象發(fā)生，大量活性鋰離子被轉(zhuǎn)化成鋰單質(zhì)堆積在一起，形成枝晶。鋰離子的損耗，造成容量的永久性損失；而鋰單質(zhì)作為一種活性極強(qiáng)的金屬，如果大量存在，則電池使用過程中的熱失控風(fēng)險必然上升，危害更嚴(yán)重。

充放電探針與夾具深度

定義的循環(huán)壽命是在受控條件下比較電池的有用方式，但它可能無法給出實際操作條件下電池壽命的度量。電池很少在連續(xù)的完全充放電循環(huán)下運(yùn)行，它們更可能在完全充電之前經(jīng)受不同深度的局部放電。由于局部放電不會考驗電池的極限能力，副反應(yīng)較少，電荷轉(zhuǎn)移的量也少，因此電池可承受更多的淺循環(huán)周期。比如，全充放循環(huán)的電池，其壽命有1000次，但對于在40%~70%SOC循環(huán)的電池來說，其循環(huán)次數(shù)可能達(dá)到20000次以上。這種使用周期對于具有再生制動的混合動力電動車輛是典型應(yīng)用場景。充放電深度與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，從下面圖中得到一些直觀感受。

2）模組壽命

前面幾點是具體到單體的老化原因，而動力電池包這個由千百個電芯組成的整體，它的老化的首要因素卻是“一致性惡化”。已經(jīng)有人針對這個問題作出了研究，發(fā)現(xiàn)電池組的老化程度比電池組中質(zhì)量最差的那顆電芯的老化程度更差，一個電池組的總體容量，小于等于容量最小的那顆電芯的容量乘以模組內(nèi)電芯數(shù)量。因此，只考察單只電芯的循環(huán)壽命，而忽視電芯之間參數(shù)的一致性，電池包的整體壽命估計會出現(xiàn)嚴(yán)重高估。

2全生命周期衡量度電成本

全生命周期度電成本，就是在相同測試條件下，電池有效容量衰減至初始容量的80%以前，全部曾經(jīng)充入過電池的電量的總和，或者電池曾經(jīng)放出的全部電量的總和。數(shù)值上等于平均每次充入電池電量乘以充電次數(shù)。客觀來看，這個參數(shù)才是用戶實際使用了的電池。電池成本，一般按照每千瓦時電量多少錢。然而，對于終端用戶而言，他們的感受里，除了能夠跑多遠(yuǎn)這個空間指標(biāo)，還有一個能夠用多長時間的時間指標(biāo)。同樣10萬元一輛車，用3年和用5年，每年的用車成本相差40%，這個差距不可謂不大。因此，落實到全生命周期度電成本上，才是最直觀的成本評價方法。

全生命周期度電成本，與電池容量、電壓和使用壽命三個因素有關(guān)，同樣的造價，電池容量越大，電壓越高，壽命越長，則該成本越低。作為設(shè)計者，這個指標(biāo)雖然一時間并不會與我們的切身利益發(fā)生直接聯(lián)系，但長遠(yuǎn)看，這是產(chǎn)品的重要競爭力。

3 內(nèi)部阻抗

鋰電池內(nèi)阻，對電池包性能的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是庫倫效率，其二是溫升，或者說是熱管理系統(tǒng)設(shè)計。

1）電池等效電路

下圖顯示了動力電池的一種等效電路。

Rm是通過電池的金屬路徑的電阻，包括端子，電極和內(nèi)部連接；Ra是包括電解質(zhì)和隔膜的電化學(xué)路徑的電阻；Cb是形成電池電極的平行板的電容；Ri是電極與電解質(zhì)之間的非線性接觸電阻。典型的內(nèi)部電阻在毫歐級別。

當(dāng)電流流過電池時，電池的內(nèi)部電阻上存在一個IR電壓降，這會降低放電過程中電池的端電壓，并增加電池充電所需的電壓，從而降低其有效容量并降低其充/放電效率。較高的放電速率會導(dǎo)致較高的內(nèi)部電壓下降，這就解釋了高C率下較低的電壓放電曲線。

2）內(nèi)阻是怎么產(chǎn)生的

宏觀上看

電池的內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻。在溫度恒定的條件下，歐姆電阻基本穩(wěn)定不變，而極化電阻會隨著影響極化水平的因素變動。

歐姆電阻主要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、連接方式等有關(guān)。

微觀上看

內(nèi)部阻抗受電解質(zhì)物理特性的影響，電解質(zhì)材料的粒度越小，阻抗越低。晶粒尺寸由電池制造商在電解質(zhì)材料粉末加工過程中控制。

通常使用電極的螺旋結(jié)構(gòu)來最大化表面積，進(jìn)而減小內(nèi)部阻抗。這種方法可以減少熱量產(chǎn)生并允許更快的充電和放電速率。

低溫下，電池內(nèi)部材料活性差，因此在低溫下可能非常低效，隨著溫度的升高，電池效率隨之提高，內(nèi)部反應(yīng)速度加快。一個不良的影響是，電池自放電也隨之增加。

由于活性化學(xué)物質(zhì)大多數(shù)在放電即將結(jié)束時已經(jīng)嵌入電極形成穩(wěn)定形勢，游離的活性物質(zhì)越來越少，因此，電池的內(nèi)阻也在放電末期有明顯上升，也是放電末期電池電壓迅速下降的主要原因。

極化電阻，加載電流的瞬間才產(chǎn)生的電阻，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反應(yīng)的速度無法達(dá)到電子的移動速度造成的；濃差極化，是鋰離子嵌入脫出正負(fù)極材料并在材料中移動的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。

 3）內(nèi)阻降低能量效率

電池內(nèi)阻以I2R損耗的焦耳熱效應(yīng)會導(dǎo)致電池溫度升高。

對于為移動電話供電的1000mAh電池，電壓下降和I2R損失可能不明顯，但對于100只200Ah電動汽車電池，壓降它們可能是相當(dāng)大的。1000mA鋰電池的典型內(nèi)阻約為100~200mOhm，汽車電池中使用的200Ah鋰電池的內(nèi)阻約為1mΩ。

以C速率運(yùn)行時，每種情況下的電壓降在兩種情況下都將大約為0.2伏，（對于手機(jī)來說略?。?。手機(jī)的I2R損耗將在0.1到0.2瓦之間。然而，在汽車電池中，整個電池的電壓降將是20伏，并且由于電池內(nèi)的熱量將為每個電池40W或整個電池組4KW，因此I2R功率耗散，是電池發(fā)熱的最大熱源。

內(nèi)阻影響電池充放電效率。內(nèi)阻越高，充電和放電時的損耗就越高，特別是電流比較大的情形。這意味著電池放電率越高，電池的可用容量越低。小電流放電則可以獲得更大的放電量。

隨著電池老化，電解質(zhì)的電阻趨于增加。老化還會導(dǎo)致電極表面惡化，接觸電阻增大，同時電極有效面積減小，從而減小其電容。所有這些影響都會增加電池的內(nèi)部阻抗，從而對其性能產(chǎn)生不利影響。比較電芯的實際阻抗和新電芯的阻抗，可以用來衡量電芯的老化程度或估計其有效容量。這種測量比實際電芯放電方便得多，并且可以在不破壞被測電芯的情況下進(jìn)行測量。