电芯容量保持率/衰减率/库伦效率

一、定义

1.容量保持率

定义：电池在经历一定次数的充放电循环或一段时间的老化后，其剩余放电容量与初始放电容量的百分比。公式：容量保持率=(当前放电容量/初始放电容量)×100%
意义：它直接反映了电池的寿命和可用容量的衰减程度。容量保持率越高，说明电池的健康状态越好，寿命越长。通常，当容量保持率下降到80%时，认为电池寿命终止。

2.库伦效率

定义：在一次完整的充放电循环中，放电容量与充电容量的比值。
公式:库伦效率=(放电容量/充电容量)×100%
意义：它衡量了电池充放电过程的可逆性。理想情况下，充入多少电量就应该能放出多少电量，库伦效率应为100%。但实际上，由于副反应(如SEI膜的生长、电解液分解等)会消耗部分电荷，导致放出的电量总是小于充入的电量，因此库伦效率通常小于100%。高库伦效率(如99.8%以上)是长寿命电池的关键特征，意味着每次循环的容量损失极小。

3.容量衰减率

定义:单位时间或单位循环次数内，电池容量减少的速率。 它可以表示为绝对值的下降(如mAh/周)或相对值的下降(如%/周)。
公式：
①绝对衰减率=(初始容量-当前容量)/时间（或循环次数）
②相对衰减率=[(初始容量-当前容量)/初始容量]/时间（或循环次数）×100%
意义：它量化了电池老化的速度。衰减率越低，电池的寿命和稳定性越好。它是预测电池剩余使用寿命的重要依据。

三者的关系

①容量保持率和容量衰减率是从正反两个方面描述同一个现象：容量的变化。容量保持率=100%-累计的相对容量衰减率。
②库伦效率是导致容量衰减的根本原因。每次循环中，由于库伦效率小于100%，都会损失一点点容量。这些微小的损失不断累积，就体现为宏观上的容量衰减。
③例如：如果一个电芯的库伦效率为99.5%，那么经过100次循环后，其理论容量保持率大约为(0.995)^100 ≈60.5%。

二、试验测量方法

测量这些指标需要在受控的实验环境（通常是恒温箱）下，使用专业的电池测试系统（如Arbin, Neware, 蓝电等）来完成。

1.准备阶段

❶设备：电池测试系统、恒温箱、待测电芯。
❷环境：将测试环境（通常是恒温箱）设置在标准温度下（如25°C）。
❸初始容量标定：这是所有测试的基准，必须准确。
步骤：
a.将电芯以恒定电流(如0.5C)恒压充电至上限电压(如4.2V)，并设定截止电流(如0.05C)。
b.静置一段时间（如5-30分钟）。
c.以恒定电流（如0.5C）放电至下限电压（如3.0V）。
d.记录放电过程中释放的总容量，即为初始放电容量（C_initial）。
通常这个“标定-静置-测试”过程会重复2-3次，以取稳定值。

2.循环寿命测试

这是获取容量保持率和容量衰减率数据的主要方法。
步骤：
a.设置循环参数：充放电电流（如1C）、电压范围、静置时间等。
b.启动自动循环测试。测试系统会持续进行充放电操作。
c.定期进行容量标定：每进行50或100次循环后，插入一次与“初始容量标定”完全相同的步骤（即用较小的电流，如0.5C，进行一次完整的充放电），以准确测量当前的实际容量（C_current）。这是因为大电流循环下的容量会受到极化内阻的影响，不能真实反映容量衰减。
数据记录：系统会自动记录每次循环的充电容量和放电容量，以及定期标定得到的C_current。

3.数据处理与计算

库伦效率的计算：从测试系统中导出每一次循环的充电容量（C_charge）和放电容量的数据。对于第N次循环：
库伦效率N=(放电容量_N/充电容量_N)×100%
通常会观察其稳定性，并计算平均库伦效率。
容量保持率的计算：取每次“定期容量标定”时测得的放电容量（C_current）。对于第M次标定（对应第K次循环）：
容量保持率M=(C_current/C_initial)×100%※容量衰减率的计算：
绝对衰减率：(C_initial – C_current)/K（单位：mAh/cycle）
相对衰减率:[(C_initial-C_current)/C_initial]/K×100%(单位：%/cycle)

注意事项
温度控制：温度对副反应速率影响巨大，必须严格保持恒温，否则数据无可比性。
测试制度：充放电电流（C-rate）、电压范围、静置时间等必须明确规定并保持一致。
SOC区间：测试通常在100%的SOC范围进行，但也可以根据需求模拟特定应用场景（如40%-80%的浅充浅放），其衰减特性会有所不同。
精度：高精度的测试设备是获得可靠库伦效率数据的前提。