放电深度是控制二次锂纽扣电池容量保持率的最强因素之一。 浅循环（通常在 10–30% DOD 左右）通常能保持容量并支持数百至 1,000 次以上的循环，而深循环会加速不可逆的退化并缩短使用寿命。自动化电池测试系统通过应用可重复的 DOD 曲线、定期测量可用容量并跟踪容量随循环次数的衰减率来评估这种关系。
核心原则很简单： 每个循环提取的电池容量越多，通常退化越严重。自动化循环测试仪通过高重复性地控制充电、放电、电流、电压、温度和静置条件，使这种关系变得可量化。
为什么 DOD 会影响容量保持率
更深的循环会增加电极应力
较高的 DOD 会迫使电极在每个循环中经历更大的荷电状态变化。在二次锂纽扣电池中，与浅循环相比，这增加了结构、化学和界面应力。
参考资料中确定的主要退化机制是阳极寄生副反应的增长。这些反应导致的容量损失随每个循环使用的 DOD 增加而增加。
容量损失随循环次数累积
DOD 的影响是累积的。电池在前几次循环中可能表现出额定容量，但在重复通过其可用范围的较大比例进行放电时，可用容量会更快地流失。
随着退化的进行，电池还可能表现出放电电压降低和极化增加。这些影响可能导致电池更早达到电压截止点，从而进一步降低测量容量。
浅 DOD 可延长循环寿命
锂铝/二氧化锰和锂合金/聚苯胺等二次锂纽扣电池化学体系在受限的 SOC（荷电状态）窗口内运行时，可以实现长循环寿命。
实际的循环寿命结果取决于化学体系、温度、电流、电压限制和测试标准。据报道，在适度的 DOD 下，循环次数范围大约在 500 到 1,000 次以上，而特定的锂二氧化锰纽扣电池测试报告显示，在 5% DOD 下约为 3,000 次循环，在 20% DOD 下约为 500 次循环。
这些数字应被视为特定测试的基准，而非通用额定值。重要的结论是 DOD 与循环寿命之间存在强烈的反比关系。
如何量化容量保持率
确定初始容量
测试通常从一个或多个化成或基准循环开始。电池在定义的条件下进行充放电，并记录初始可用容量 (Q_0)。
当目标是测量电池的可用容量而非其高功率能力时，通常使用受控的低倍率放电。这减少了瞬态电压降和极化的影响。
应用定义的 DOD 窗口
测试系统被编程为在选定的 SOC 限制之间对电池进行循环。例如，10% DOD 测试可能会反复使电池在约 60% 和 50% 的 SOC 之间移动，而 50% DOD 测试则使用更宽的窗口。
SOC 窗口必须一致地定义。“10% DOD”在所有测试组中应指相同的容量比例以及相同的充电和放电限制。
进行定期参考容量检查
循环测试仪定期中断正常的 DOD 循环并执行标准化的容量测量。将测得的容量 (Q_n) 与初始容量进行比较：
[ \text{容量保持率} = \frac{Q_n}{Q_0} \times 100% ]
然后可以将容量衰减绘制成循环次数、经过时间或处理的总安时数的函数。
跟踪容量以外的指标
完整的评估还会记录：
- 放电电压曲线
- 充放电能量
- 库仑效率
- 内阻或脉冲电阻
- 静置期间的自放电
- 温度响应
- 截止电压行为
容量保持率确定了剩余的可用容量。电压和电阻测量有助于解释损失主要是由于活性物质退化、阻抗增加、极化还是测试限制伪影引起的。
自动化测试系统如何评估 DOD
使用可编程的充放电程序
多通道电池循环测试仪可以应用恒流、恒压、脉冲或混合曲线。每个通道都可以配置自己的电流、电压限制、静置时间和 DOD 目标。
精确控制终点
对于基于容量的测试，系统可以在输送指定的安时量后终止放电。对于基于电压的测试，它可以在定义的截止电压处停止。
容量控制曲线对于直接比较 DOD 非常有用。电压控制曲线对于重现真实产品的运行条件很有用，但结果可能会受到电流相关电压降的影响。
包括脉冲放电测试
低功耗微型电池可能会经历间歇性负载而非持续电流。因此，自动化系统可以应用重复的负载脉冲，随后是静置期。
脉冲测试揭示了电池在实际需求下是否能维持其工作电压，以及极化是否导致端电压过早达到截止点。
将真实容量损失与倍率效应分离
高放电电流会产生欧姆电压降和极化。即使电极中仍有可循环的锂，端电压也可能达到截止点。
为了建立可靠的容量基准，实验室可以使用较低电流的参考放电。将此结果与高倍率容量进行比较，有助于区分不可逆容量损失与由运行条件引起的表观损失。
通过静置期评估自放电
自动化系统可以对电池充电，将其置于受控的开路静置状态，并定期测量电压或执行容量检查。
这区分了与循环相关的退化和与存储相关的损失。参考资料报告称，一些二次锂二氧化锰纽扣电池在室温下每年的容量损失不到约 5%，尽管自放电取决于化学体系、温度、存储状态和电池结构。
设计有效的 DOD 测试矩阵
在相同条件下比较 DOD
一个有意义的实验会在保持其他变量不变的情况下改变 DOD：
- 充放电电流
- 上限和下限电压限制
- 温度
- 静置持续时间
- 充电终止方法
- 容量测量程序
- 故障或测试结束标准
如果没有这种控制，归因于 DOD 的结果实际上可能是由温度或 C 倍率引起的。
使用与应用相关的曲线
为存储器备份电路供电的纽扣电池可能会经历非常浅的间歇性循环。用于突发功率传感器的电池可能需要带有长静置期的脉冲放电程序。
测试曲线应尽可能重现预期的负载模式。简单的恒流循环可能会高估或低估现实世界的退化。
单独测试温度
二次锂纽扣电池可能在很宽的温度范围内工作，但温度会改变反应速率和内阻。例如，一些报道的电池在 -20 °C 下保留了其室温放电容量的约 90%，但这并不意味着它们在低温下的长期循环退化是相同的。
因此，温度应被视为一个独立的测试因素，而不仅仅是一个环境细节。
理解权衡
更大的 DOD 每个循环提供更多能量
深循环减少了从电池获得给定能量所需的循环次数。这可以简化系统控制，并在每次运行事件中提供更多的安装容量。
代价是加速的容量衰减，在许多情况下，使用寿命更短。
浅 DOD 提高寿命但需要更多容量
浅运行窗口通常能更好地保持容量，但应用可能需要更大的电池、更多的并联电池或更频繁的充电事件来提供相同的可用能量。
对于紧凑型纽扣电池应用，这通常是一种故意的设计权衡：牺牲每个循环的部分能量以保持长期可靠性。
不要混淆电压截止与 DOD
由于高电流、温度或内阻增加，电池可能会提前达到截止电压。这并不一定意味着电池达到了与低电流放电下相同的电化学 DOD。
只有当 SOC 估计和测试终点定义一致时，DOD 比较才有效。
不要将循环寿命数字视为通用标准
“500 次循环”或“3,000 次循环”之类的说法只有在附带测试条件时才有意义。化学体系、DOD、电流、温度、充电协议和容量保持阈值必须与数字一起说明。
额定支持数千次浅循环的电池可能无法承受数百次具有同等保持率的全深度循环。
将结果应用于电池鉴定
首先定义失效标准
常见标准包括容量下降到初始容量的指定百分比、电阻过度增长、无法满足电压要求或不可接受的自放电。
标准应反映应用需求。即使仍有大量剩余容量，低功耗传感器也可能在脉冲下的电压低于其工作阈值时失效。
使用多个测试通道和重复样本
自动化多通道系统允许 DOD 组和温度条件并行运行。重复电池很重要，因为电池间的差异可能会掩盖 DOD 的影响。
所得数据可用于比较退化斜率并确定运行窗口，而不是依赖单一的循环寿命数字。
将结果转化为运行窗口
最终目标不仅仅是确定最长的循环寿命。而是确定在保持可接受的容量保持率、电压性能和服务寿命的同时，提供所需能量的 DOD 范围。
为您的目标做出正确的选择
- 如果您的首要重点是最大循环寿命： 使用浅 DOD 窗口，通过长时间的自动化循环进行验证，并包括定期的参考容量测量。
- 如果您的首要重点是每个循环的最大能量： 测试更深的 DOD 曲线，但要量化由此产生的容量衰减率并定义可接受的寿命终止阈值。
- 如果您的首要重点是低功耗间歇性运行： 将浅 DOD 循环与特定应用的脉冲放电和静置期程序相结合。
- 如果您的首要重点是准确的容量测量： 使用标准化的低电流参考放电，以最大限度地减少由极化和倍率效应引起的截止误差。
- 如果您的首要重点是产品鉴定： 将 DOD 与温度、电流、自放电和电阻增长一起测试，而不是孤立地评估 DOD。
通过精确控制 DOD 并在实际条件下测量容量保持率，自动化测试系统将循环寿命行为转化为可操作的运行限制。
总结表：
| DOD 水平 | 典型循环寿命 | 关键影响 |
|---|---|---|
| 5% | ~3,000 次循环 | 应力最小，寿命最长 |
| 10-30% | 500-1,000+ 次循环 | 容量与寿命平衡 |
| 20% | ~500 次循环 | 比 5% 衰减更快 |
| 深 (例如 100%) | 显著降低 | 高应力，容量快速流失 |
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