什么导致锂离子电池死亡？

       安全得到关注，电池变得更安全。随着电动汽车 (EV) 的出现，寿命成为最重要的因素，专家们开始探索电池失效的原因。2006 年，当锂离子在消费品中意外分解并召回数百万包时，最大限度地提高锂离子能量密度的最终重点发生了变化。

       然而，当得知更换电池的价格相当于一辆带内燃机的紧凑型汽车时，它仍然会让电动汽车购买者感到畏缩。如果电池的寿命可以延长到 20 年，那么即使初始投资很高，驾驶电动汽车也是合理的。虽然 3 年的电池寿命和 500 次循环对于笔记本电脑和手机来说是可以接受的，但       电动汽车电池规定的 8 年寿命乍一看似乎很长。

       电动汽车制造商选择为延长使用寿命而不是高比能量而优化的电池系统。这些电池通常比消费品中使用的电池更大更重。

       为了赶时间，测试协议要求在 60°C（140°F）的温度下以 1.5C（不到 1 小时）的速度快速充电并以 2.5C（20 分钟）的速度放电。在这些恶劣的条件下，重型电池预计在 500 次循环后损耗 10%，这表示可以使用 1-2 年。这模拟了在圣经地狱的高温下驾驶电动汽车，在激进驾驶中留下橡胶痕迹，并且仍然配备了拥有 90% 容量的电池。为电动动力总成选择的电池要经过严苛的生命周期测试，而日产为 Leaf EV 选择了锰基锂离子电池，因为它性能稳定。

       那么，为什么处于受保护条件下的 Leaf 的容量会下降这么多？尽管进行了仔细的选择和广泛的测试，日产聆风的车主发现在拥有 1-2 年后，其容量损失了 27.5%，而且这还没有激进驾驶。

       为了更好地了解导致锂离子电池不可逆容量损失的原因，俄亥俄州立大学汽车研究中心与橡树岭国家实验室 和美国国家标准与技术研究院合作，通过解剖失效电池进行取证测试在电极上找到可疑的问题区域。

       展开代表涂有氧化物的阳极和阴极的 1.5 米长（5 英尺）的金属带条，发现精细结构的纳米材料已经变粗。进一步的研究表明，负责在电极之间穿梭电荷的锂离子在阴极上减少了，并永久地留在了阳极上。这导致阴极的锂浓度低于新电池，这是不可逆转的现象。

库仑效率

       库仑效率能够测量这两种变化：由于阳极上的 SEI 生长导致的锂损失和阴极上的电解质氧化。通过量化寄生反应，结果可用于对电池的预期寿命进行排名。

       完美电池的 CE 为 1.000,000。达恩博士说，如果是这样的话，锂离子电池将永远持续下去。出色的库仑效率为 0.9999，这是一些钴酸锂 (LCO) 所达到的水平。到目前为止，CE 方面最好的锂离子是钛酸锂 (LTO)；它有可能提供 10,000 个周期。缺点是成本高和比能量相对较低。

       位于哈利法克斯的达尔豪斯大学的Jeff Dahn教授及其团队通过库仑效率 (CE) 研究了锂离子电池的寿命。CE 定义了电子在充电和放电过程中在电化学系统中转移的完整性。效率越高，电池承受的压力越小，电池寿命也就越长。

       在充电过程中，锂被吸引到石墨阳极（负电极）并且电势发生变化。在放电期间再次取出锂并不能使电池完全复位。在阳极表面形成由锂原子组成的称为固体电解质界面(SEI)的薄膜。SEI 层由氧化锂和碳酸锂组成，随着电池循环而增长。薄膜变厚并最终形成阻碍与石墨相互作用的屏障。

       阴极（正极）形成类似的限制层，称为电解质氧化。Dahn 博士强调，在高温下超过 4.10V/cell 的电压会导致这种情况，这种报废可能比循环电池更有害。电池处于高电压的时间越长，退化发生的速度就越快。

       累积会导致突然的容量损失，这很难通过单独循环测试电池的持续时间来预测。这种现象已经存在多年，测量库仑效率可以比单纯的循环更科学、更系统地验证这些效应。

       与电动汽车类似，卫星中的锂离子电池也必须具有 8 年或更长时间的使用寿命。为实现这一点，电池仅充电至 3.90V/电池或更低。NASA 有一个有趣的发现，由于阴极上的电解液氧化，超过 4.10V/cell 的锂离子电池往往会分解，而那些充电到较低电压的锂离子电池会由于阳极上的 SEI 积聚而失去容量。

       NASA 报告说，一旦锂离子电池在卫星中运行了大约 40,000 次循环后超过 8 年大关，由这种现象引起的电池退化就会迅速发展。充电至 3.92V/cell 似乎在最长寿命方面提供了最佳折衷，但这会将容量降低到仅约 60%（参见BU-808：如何延长锂基电池的寿命）