不同温度下充放电对磷酸铁锂-石墨电池衰减的影响

该方法有助于解答有关电池老化的科学问题。在不同充放电温度下循环可能影响电池的退化，因为许多导致退化的物理化学过程均具有温度依赖性。该技术的主要优势在于能够分别测试不同的充电与放电温度，而传统测试方法通常在充放电过程中使用相同的环境温度。

该技术的应用前景包括通过在不同充放电温度下进行测试，为未来标准和法规的制定提供支持。该方法可揭示在不同温度下的材料降解机制。高温循环会加剧材料降解并促进固体电解质界面（SEI）层的生长，而低温循环则会导致锂金属析出（锂镀层）。

实验前，采用实验设计方法确定最优的充放电温度组合，以最大限度减少所需的温度组合数量。开始操作时，将两个荷电状态为30%的磷酸铁锂-石墨软包电池放入刚性聚碳酸酯支架中。将电池安装至夹具，并置于电池循环仪的温控箱内。

将连接至电池循环仪的热电偶放置在每个电池一侧的中心位置。通过四线连接方式将电池连接至电池循环仪。在电池循环仪软件中，将温控箱温度设置为25摄氏度。

让电池静置平衡12小时。接着，在电池循环测试编辑器中为两步恒流、恒压电池化成创建一个新文件。填写通道安全标准，以便在电池条件超出规定限值时停止循环。

以0.1 C倍率恒流放电至2.7伏。随后静置30分钟。然后，以0.1 C倍率进行恒流恒压充电至3.7伏，恒压阶段持续一小时，或直至充电倍率降至0.01 C。

再进行30分钟的休息期。完成时保存诱导方案。创建一个新的协议用于参考循环。

将腔室温度设为25摄氏度，并等待直至温度变化小于每小时1开尔文。以0.3 C倍率进行两次恒流充放电循环，充电和放电阈值分别为3.7伏和2.7伏。每次循环后设置等待期，使温度稳定。

完成时保存参考循环程序。打开预处理方法，并将参考循环作为子程序添加到预处理中。然后，打开主电池循环测试软件。

单击包含待测细胞的两个通道以选择通道，然后单击“运行”按钮。选择化成流程，提供文件名，输入容量（单位为安时），并选择温控室。运行该流程以确定初始容量。

创建一个用于长期循环的实验方案，保持相同的充放电温度。首先将环境箱设置为目标温度，并等待电池温度达到平衡。设置方法为：以1 C倍率进行恒流恒压充电至3.7伏，其中恒压阶段持续1小时，或直至电流倍率降至0.1 C。

静置电池30分钟。然后以相同的C倍率恒流放电至2.7伏，再次静置电池30分钟。重复充/放电循环100次。

每25次循环后添加参考循环作为子程序。使用相同的C倍率和电压阈值，创建另一个用于不同充放电温度下长期循环的实验方案。在每次循环步骤后设置静置阶段，等待电池温度稳定。

以每25次循环进行一次参考循环的方式，重复充放电循环100次。完成后保存方法。根据这些方案，针对通过实验设计方法确定的温度组合，建立长期循环测试方案。

然后，返回主电池循环仪程序。选择待测电池的通道，并选择所需的长期循环程序。

填写数据的文件名。选择温控室并开始长期循环测试。使用一个全新的电池重复测试一次，以评估重复性。

电化学循环测试完成后，在电池循环软件中打开一个数据可视化模板。然后载入已保存的循环数据，评估电池随时间推移的性能衰减情况。接下来，将数据导入分析软件，选择采用最大K折R平方函数的分步拟合方法。

拟合数据，评估子集，并选择最佳的整体R平方值以避免过拟合。然后，点击“生成模型”以可视化拟合后的数据。在“效应汇总”中评估所列出的参数，并删除显示为无统计学意义的参数。

查看最终的降解速率可视化结果，并根据需要调整外观设置。对所有测试的细胞重复此过程。接下来，将细胞转移至充满惰性气体的手套箱中。

拆解电池，使用陶瓷剪刀剪开电池袋。将正极和负极分别裁剪成 5 mm × 5 mm 的小片。将电极样品片安装在固定于样品台上的扫描电子显微镜样品 stub 上。

将样品台插入密封容器中，并通过过渡舱将其从手套箱中取出。使用充满惰性气体并保持正压的手套袋，将样品台从手套箱转移至扫描电镜样品室。对每个样品表面至少五个不同位置进行表征，以识别潜在的表面不均匀性。

当充放电温度均为 20 摄氏度时，每个 25 次循环区间内均观察到容量急剧衰减，随后在 25 摄氏度的参考循环过程中出现显著恢复。在 12 摄氏度或 30 摄氏度下循环时，容量衰减明显大于在 5 摄氏度下循环的情况。在固定充电温度下循环时，较低的放电温度表现出更高的长期稳定性。

类似地，在特定放电温度下循环时，通常在较低的充电温度下可观察到更优异的长期稳定性。在放电温度为 20 摄氏度、充电温度为 0 摄氏度或 15 摄氏度条件下循环的电池，在参考循环后表现出适度的容量恢复，且在长期循环过程中容量下降程度较充电温度为 20 摄氏度时更为缓和。基于实验数据建立了一个模型，用于描述充电与放电温度同降解速率之间的关系，从而可根据潜在应用需求确定最优温度条件。

我们最初产生这一方法的想法，源于讨论温度变化如何影响电池的耐用性。在分析测试标准时，我们意识到测试大多在相同的环境温度下进行。然而，由于季节更替、昼夜温差以及周围设备的工作温度变化，电池实际面临的温度环境是持续变化的。

在给定的温度范围内，充放电温度的组合可能极为庞大。因此，我们采用实验的最优设计方法，以最少的测试次数获得最大的信息量。该技术为制定更适用于实际使用条件的退化测试标准奠定了基础。

观看本视频后，您应能够充分理解如何设计、测试和分析电池循环数据，并将这些数据与其他测试结果以及实际使用情况进行比较。