Qu'est-ce qu'un cycle de batterie ? 

Au cours de l'utilisation, la capacité réelle disponible de la batterie au lithium-ion, par rapport à sa capacité nominale à l'usine, continuera à diminuer, c'est-à-dire qu'il se produit une atténuation de la capacité. Toute réaction secondaire indésirable qui consomme des ions lithium peut entraîner une modification de l'équilibre des ions lithium dans la batterie, qui est irréversible et peut s'accumuler au cours de plusieurs cycles de la batterie, ce qui affecte négativement les performances de la batterie.

Facteurs influençant la durée des cycles des batteries lithium-ion

La durée de vie d'une batterie est un indice important pour mesurer la performance de la durée de vie de la batterie. La cause sous-jacente des facteurs affectant la durée de vie des batteries lithium-ion est la diminution de la quantité d'ions lithium impliqués dans le transfert d'énergie.

Dans certains cas, la quantité de lithium dans la batterie ne diminue pas, mais les ions lithium "activés" sont piégés à certains endroits ou le canal de transmission est bloqué, et ne peuvent pas participer librement au processus de charge et de décharge. Par conséquent, plusieurs facteurs affectent les durées de cycle des batteries lithium-ion, notamment :

Placage de lithium métal

Pour le cobalate de lithium et le système graphite, le graphite de l'anode devient le côté "court-circuit" dans le processus du cycle de la batterie est plus commun. Si l'électrode négative est insuffisante, la cellule peut ne pas plaquer le lithium avant le cycle de la batterie, mais après des centaines de cycles, la structure de l'électrode positive change peu, mais la structure de l'électrode négative est sérieusement endommagée et ne peut pas recevoir pleinement les ions de lithium fournis par l'électrode positive, ce qui entraîne une baisse prématurée de la capacité.

Le placage du métal lithium se produit généralement à la surface de l'électrode négative. Lorsque les ions lithium migrent vers la surface de l'électrode négative, une partie des ions lithium ne pénètre pas dans la substance active de l'électrode négative pour former des composés stables, mais obtient des électrons et se dépose sur la surface de l'électrode négative pour devenir du lithium métallique, et ne participe plus au processus ultérieur du cycle de la batterie, ce qui entraîne une réduction de la capacité.

Par exemple, en cas de surcharge ou d'insuffisance de matériau négatif, le pôle négatif ne peut pas accueillir les ions lithium migrant depuis le pôle positif, ce qui entraîne un placage de lithium métal ; lors d'une charge à taux élevé, trop d'ions lithium atteignent l'électrode négative en peu de temps, ce qui entraîne une obstruction du canal et un placage.

Décomposition des matériaux de la cathode

Les oxydes métalliques de lithium des matériaux cathodiques continueront à se décomposer au cours d'une utilisation à long terme, produisant certaines substances électrochimiques inertes et certains gaz combustibles, détruisant l'équilibre de la capacité entre les électrodes, ce qui entraîne une perte irréversible de la capacité.

Film SEI sur la surface de l'électrode

Au cours du premier cycle, l'électrolyte forme une couche d'électrolyte solide (SEI) à la surface de l'électrode. Le film SEI consomme des ions lithium pendant le processus de formation, et le film SEI n'est pas stable. Il se casse constamment pendant le cycle de la batterie, expose la nouvelle surface négative et réagit avec l'électrolyte pour former un nouveau film SEI.

Il en résulte une perte continue d'ions lithium et d'électrolytes, ce qui entraîne une diminution de la capacité de la batterie. En outre, le canal de diffusion des ions lithium de la membrane SEI peut être bloqué, ce qui entraîne également une réduction de la capacité de la batterie.

Perte d'électrolytes

Dans le processus continu du cycle de la batterie, le électrolyte de batterie continuera à se décomposer et à se volatiliser, ce qui entraînera une réduction de la quantité totale d'électrolyte et ne permettra pas d'infiltrer complètement les matériaux de l'anode et de la cathode. La réaction de charge et de décharge n'est pas complète, ce qui entraîne une baisse de la capacité d'utilisation réelle.

En outre, si l'électrolyte contient une certaine quantité d'eau, celle-ci réagit avec le LiFP6 pour produire du LiF et du HF, ce qui détruit le film SEI et génère davantage de LiF, entraînant un dépôt de LiF et une consommation continue d'ions lithium actifs, ce qui réduit la durée du cycle de vie de la batterie.

Blocage ou endommagement de la membrane

Au cours du cycle de vie de la batterie lithium-ion, l'assèchement progressif du diaphragme est également à l'origine de la baisse de capacité. En raison du séchage du film d'isolation, la résistance ohmique de la batterie augmente, ce qui entraîne le blocage du canal de charge et de décharge, ainsi qu'une charge et une décharge incomplètes. La capacité de la batterie ne peut pas revenir à l'état initial, ce qui réduit considérablement la capacité et la durée de vie de la batterie.

Déchiquetage des matériaux de la cathode et de l'anode

Les substances actives de l'anode et de la cathode sont fixées au substrat au moyen d'un liant. Au cours du processus d'utilisation à long terme, en raison de la défaillance du liant et de la batterie due aux vibrations mécaniques et à d'autres raisons, les substances actives positives et négatives tombent constamment dans la solution électrolytique, ce qui entraîne une réduction continue des substances actives pouvant participer à la réaction électrochimique, la durée de vie du cycle de la batterie continue de diminuer.

Le type de matériau

Lorsque vous choisissez un matériau ayant une mauvaise performance de circulation, même si le processus est raisonnable et parfait, le cycle de la batterie ne pourra pas être garanti ; mais lorsque vous choisissez un bon matériau, même s'il y a quelques problèmes par la suite, la performance du cycle n'est pas trop mauvaise. 

Du point de vue des matériaux, la performance de cycle d'une batterie complète est déterminée par la plus mauvaise des deux, la performance de cycle de l'électrode positive et l'adaptation de l'électrolyte, ou la performance de cycle de la batterie de l'électrode négative et l'adaptation de l'électrolyte.

La performance du cycle du matériau est moins bonne, d'une part, il est probable que le processus de changement de la structure cristalline soit trop rapide pour continuer à compléter le lithium intercalé ; d'autre part, la substance active et l'électrolyte correspondant ne peuvent pas générer un film SEI dense et uniforme, la matière active et l'électrolyte ont des effets secondaires prématurés, ce qui entraîne une consommation excessive de l'électrolyte et affecte donc le cycle de la batterie.

Dans la conception des cellules, si l'un des pôles est confirmé dans le choix d'un matériau à faible performance de cyclage, l'autre pôle n'a pas besoin de choisir un matériau à meilleure performance de cyclage.

Compactage des électrodes positives et négatives

Si le compactage des électrodes positives et négatives est trop important, bien que la densité énergétique de la cellule puisse être améliorée, la performance cyclique du matériau sera également réduite dans une certaine mesure. En théorie, plus le compactage est important, plus la structure du matériau est endommagée, et la structure du matériau est la base pour garantir le cycle de la batterie.

En outre, la cellule dont les électrodes positives et négatives sont plus compactes a du mal à garantir une meilleure rétention du liquide, ce qui permet à la cellule d'effectuer un cycle normal ou plusieurs cycles.

Densité du film de revêtement

Considérer l'influence de la densité du film sur le cycle de la batterie à l'aide d'une seule variable est presque une tâche impossible. Des densités de film incohérentes se traduisent par des différences de capacité ou par le nombre de couches d'enroulement ou de laminage de la cellule.

Pour des cellules de même type, de même capacité et de même matériau, réduire la densité du film équivaut à augmenter le nombre de couches d'enroulement ou de stratification d'une ou plusieurs couches, et l'augmentation correspondante du diaphragme peut absorber plus d'électrolyte pour assurer le cycle de la batterie.

Si l'on considère que la densité d'un film plus fin peut augmenter le taux de performance des batteries, la pièce polaire et les batteries nues cuites en plus de l'eau seront également plus faciles. Bien sûr, lorsque la densité du film est trop fine, il peut être plus difficile de contrôler l'erreur d'enrobage, des particules plus grandes actives dans les substances peuvent également avoir un effet négatif sur l'enrobage, le laminage. 

Plus de couches signifie plus de feuilles et de membranes, ce qui se traduit par des coûts plus élevés et une densité énergétique plus faible. L'évaluation doit donc également être équilibrée.

Conditions objectives du test

Des facteurs externes tels que le rapport de charge et de décharge, la tension de coupure, le courant de coupure de la charge, la surcharge et la décharge pendant le test, la température de la salle de test, l'interruption soudaine du processus de test, la résistance de contact entre le point de test et la cellule affecteront plus ou moins la performance du cycle de la batterie dans les résultats du test.

En outre, les différents matériaux ont des degrés de sensibilité différents aux facteurs objectifs mentionnés ci-dessus. Des normes d'essai unifiées et la compréhension des caractéristiques des matériaux courants et importants devraient suffire pour le travail quotidien.

Selon le principe du tonneau, de nombreux facteurs affectent la performance du cycle de la batterie, le facteur décisif final est la planche la plus courte dans de nombreux facteurs. Dans le même temps, il existe également des effets interactifs entre ces facteurs d'influence. Pour un même matériau et une même capacité de fabrication, plus le cycle de la batterie est élevé, plus la densité énergétique est faible. Pour répondre aux besoins des clients, il faut autant que possible garantir la cohérence de la cellule, ce qui constitue la tâche la plus importante pour les professionnels. société de batteries lithium-ion.

Méthode d'essai pour les durées de cycle des batteries lithium-ion

À l'heure actuelle, les méthodes d'essai utilisées par les fabricants de batteries lithium-ion pour évaluer le cycle des batteries au lithium-ion sont généralement des essais de cycle de charge et de décharge continus, qui nécessitent un long cycle d'essai. Les normes relatives aux batteries lithium-ion stipulent généralement les exigences en matière de durée de vie et les méthodes d'essai. Les exigences d'essai pour la durée de vie des batteries lithium-ion en Chine sont indiquées dans le tableau.

Norme d'essai existante pour le cycle des batteries lithium-ion en Chine

Analyse des données d'essais de cycles de batteries

En général, le test de cycle de la batterie génère beaucoup de données, ce qui permet d'obtenir un grand nombre d'informations. Que pouvons-nous faire pour analyser et traiter ces données ?

Courbe de charge-décharge

La courbe de charge-décharge montre la tension, le courant et la capacité d'une batterie qui évoluent dans le temps pendant la charge et la décharge. Les principales données enregistrées lors du test de charge-décharge sont l'évolution temporelle du courant et de la tension, et l'analyse ultérieure consiste essentiellement à extraire les données de la courbe de charge-décharge pour les réanalyser.

Les courbes de charge et de décharge typiques sont illustrées dans la figure. Au fur et à mesure que le cycle de la batterie progresse, la capacité de la batterie s'atténue et les courbes de charge et de décharge changent.

Efficacité coulombienne de la charge et de la décharge

L'efficacité de Coulomb, également connue sous le nom d'efficacité de charge CE, fait référence au rapport entre la capacité de décharge de la batterie et la capacité de charge au cours du même cycle, c'est-à-dire CE= capacité de décharge/capacité de charge*100%. La puissance absorbée lors de la charge n'est souvent pas utilisée pour convertir la substance active en état de charge, mais partiellement consommée, de sorte que l'efficacité de Coulomb est généralement inférieure à 100%. L'efficacité de Coulomb est un paramètre important de la batterie, qui est étroitement lié à la perte de lithium réactif.

courbe dQ /dV

Chargez et déchargez la batterie lithium-ion et enregistrez les paramètres de charge et de décharge, en particulier les données relatives à la quantité électrique et à la tension. La signification physique de la courbe dQ/dV est également très simple : il s'agit de la capacité contenue dans le matériau par unité de tension.

La courbe dQ/dV montre principalement le matériau actif de la cathode dans la transition de phase au cours du processus de charge et de décharge. Selon les données de la batterie, nous pouvons découvrir les différentes caractéristiques du pic de la courbe dV/dQ correspondant au changement de phase, puis selon la variation de la tendance de la courbe dQ/dV en boucle, nous pouvons déduire qualitativement la cause de la perte de capacité irréversible de la batterie au lithium-ion, ce qui fournit une référence pour la conception de la batterie au lithium-ion.

Tension, courant et temps de charge constants

Les batteries au lithium-ion se déchargent généralement à des courants différents au cours de leur utilisation et ne peuvent souvent pas connaître un processus de décharge complet et stable. Ce processus de décharge incomplet affectera le processus de charge ultérieur.

Le processus de charge de la batterie est généralement en mode courant croisé-tension constante (CC-CV), composé de deux processus continus : Chargement CC et Chargement CV, courant constant jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne la tension maximale nominale. La batterie entre alors dans un mode de charge à tension constante, et la tension de charge reste constante jusqu'à ce que le courant de charge diminue progressivement jusqu'au courant de coupure.

Les caractéristiques dynamiques de la phase CV peuvent bien refléter les informations sur la santé de la batterie, qu'elle soit complètement déchargée ou non. En outre, les données de charge dans la phase CV peuvent être entièrement contrôlées par le BMS. Par conséquent, la cinétique de la charge CV peut être utilisée pour étudier la loi de vieillissement des batteries.

Étant donné que le taux de variation du courant pendant la charge à tension constante est étroitement lié à la constante de temps correspondante, la constante de temps du cycle de charge CV peut être utilisée pour étudier l'état de vieillissement de la batterie.