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鋰離子電池高低溫充放電性能研究

鋰離子電池具有高的能量密度，加上設(shè)計(jì)靈活性及循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等顯著特點(diǎn)，在移動(dòng)式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)以及國(guó)，防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是由于電動(dòng)汽車(chē)、航天及軍事等領(lǐng)域的使用環(huán)境比較苛刻，要求鋰離子電池要在較寬的溫···

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產(chǎn)品介紹 / Introduction

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鋰離子電池高低溫充放電性能研究

鋰離子電池具有高的能量密度，加上設(shè)計(jì)靈活性及循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等顯著特點(diǎn)，在移動(dòng)式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)以及國(guó)，防軍工等高技術(shù)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是由于電動(dòng)汽車(chē)、航天及軍事等領(lǐng)域的使用環(huán)境比較苛刻，要求鋰離子電池要在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，因比其高低溫性能一直備受人們的關(guān)注。本文以一種國(guó)內(nèi)已商品化的鋰離子電池的科研改進(jìn)型號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)其在高低溫條件下的性能進(jìn)行了測(cè)試，為廠(chǎng)家改進(jìn)電池工藝提供了一定的數(shù)據(jù)參考。

鋰離子電池

1、實(shí)驗(yàn)

    1. 1儀器與材料
    實(shí)驗(yàn)儀器：高精度電池性能測(cè)試系統(tǒng)、恒溫恒濕試驗(yàn)箱。
    實(shí)驗(yàn)電池：國(guó)產(chǎn)電池芯、標(biāo)稱(chēng)電壓37 V、標(biāo)稱(chēng)容量11 Ah。
    1.2 實(shí)驗(yàn)方法及條件
    （1）試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作：
    a.在常溫（23±2）℃下，將實(shí)驗(yàn)所用電池穩(wěn)定循環(huán)5次。充放電條件：將電池用3500 mA恒流充電到4.2 V轉(zhuǎn)恒壓充電至350 mA；充放電之間擱置1h；用3 500 mA恒流放電至27 V。
    b.分別將電池在-20℃和65 ℃的環(huán)境條件下擱置6 h，再進(jìn)行不同溫度（-20℃和65℃）下的充放電實(shí)驗(yàn)。
    （2）高低溫充放電
    將電池置于高溫防爆箱（65℃）或調(diào)溫調(diào)濕箱（-20 ℃）中，用3 500 mA恒流充電到42 V轉(zhuǎn)恒壓充電至350 mA；充放電之間擱置1 h；用3500 mA恒流放電至2 7 V。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鋰離子電池的低溫充放電性能
電池在常溫（23±2）℃和低溫（-20 ℃）條件下的充電曲線(xiàn)如圖1所示。

表1 鋰電子電池在常溫和低溫下的充電容量

圖1 鋰離子電池在常溫和低溫下的充電曲線(xiàn)

表1給出了電池在常溫與低溫下的恒流恒壓充電容量與充電總?cè)萘康臄?shù)值。
結(jié)合圖1和表1可知，與常溫充電過(guò)程相比，電池在低溫時(shí).恒流充電過(guò)程中的端電壓升高（可能是，由于在低溫條件下，電池的極化比較大，相應(yīng)的電壓變化也比較大），恒流充電時(shí)間降低，而其恒壓充電時(shí)間明顯延長(zhǎng)，使得電池的平均充電電壓上升，充電效率降低。電池的恒流充電容量與充電總?cè)萘拷档停覝貤l件下，電池的恒流充電容量與充電總?cè)萘恐葹?2%；當(dāng)溫度降到-20 ℃ ，電池的恒流充電容量與充電總?cè)萘恐葍H為6. 2%。原因分析：電池在低溫下，電池中的活性物質(zhì)的化學(xué)活性降低；電解液中的部分溶劑凝固，導(dǎo)致Lit遷移的數(shù)量減少，導(dǎo)電能力下降；電池充電的過(guò)程中出現(xiàn)大量金屬鋰沉積，濃差極化增加，電壓快速升高。

電池分別在常溫（23±2）℃和低溫-20 ℃條件下的放電曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 電池在常溫和低溫下的放電曲線(xiàn)

從圖中可以看出：在-20 ℃時(shí)，鋰離子電池放電過(guò)程的端電壓降低，放電平均電壓降低，放電的電壓平臺(tái)較常溫而言下降較快。這可能是由于在低溫條件下，電解液的離子導(dǎo)電率降低，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃度極化和電化學(xué)極化均增大，在電池放電曲線(xiàn)上就表現(xiàn)為放電電壓的降低。對(duì)于其容量而言，由于低溫時(shí)的充電效率不高，導(dǎo)致其放電容量也相應(yīng)下降。從電池的微觀(guān)來(lái)看，低溫（<0 ℃）充電會(huì)引發(fā)鋰離子還原成金屬鋰枝晶反應(yīng)，這種鋰金屬枝晶，銳角鋒利，易刺穿電池內(nèi)部隔膜，引發(fā)電池內(nèi)短路，存在一定的安全隱患。
2.2 鋰離子電池的高溫充放電性能

電池分別在常溫（23±2）℃和高溫65℃條件下的充電曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 電池在溫和高溫下的充電曲線(xiàn)

表2給出了電池在常溫與低溫下的恒流、恒壓充電容量與充電總?cè)萘康臄?shù)值。

表 2 鋰離子電池在常溫和高溫下的充電容量

結(jié)合圖3和表2可以看出：與常溫充電過(guò)程相比，電池在高溫時(shí)的充電電壓迅速升高到充電限制電壓；恒流充電時(shí)間明顯降低，而其恒壓充電時(shí)間幾乎為0，整個(gè)充電過(guò)程迅速結(jié)束。電池在65 ℃儲(chǔ)存一段時(shí)間后，在該條件下充人的容量?jī)H為常溫的20.8%。這可能是由于在高溫條件下充電時(shí)，電池的正負(fù)極材料表面SEI膜發(fā)生變化、電解液等可能在高溫條件下發(fā)生一定的副反應(yīng)、活性鋰的量減少以及電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定的不可逆變化，使得電池的內(nèi)阻增大。同時(shí)，電池中的某些添加劑在常溫時(shí)有利于電池性能的提高，但其在高溫條件下卻不一定可以起到同樣的效果。
電池分別在常溫（23±2）℃和高溫65 ℃條件下的放電曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 電池在常溫和高溫下的放電曲線(xiàn)

從圖中可以看出：在65℃時(shí)鋰離子電池的放電起始電壓明顯下降，放電時(shí)間減少；同時(shí)由于充電接受能力下降造成充人容量降低.故其放電容量低。
隨后將該電池重新置于室溫環(huán)境擱置一段時(shí)間待其穩(wěn)定后，再對(duì)其進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種由于高溫引起的變化呈現(xiàn)出嚴(yán)重的不可逆性。這可能是由于高溫條件下，引起了電池電解液的分解或者是電池材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可逆的變化，導(dǎo)致電池在高溫條件下充放電電壓平臺(tái)以及容量的下降。
電池經(jīng)高溫充放電后，電池在室溫下擱置觀(guān)察無(wú)變形，無(wú)爆炸等現(xiàn)象，這些指標(biāo)均符合電池標(biāo)準(zhǔn)要求。

3、結(jié)論

本文對(duì)電池在低溫-20 ℃和高溫65 ℃下的充放電性能進(jìn)行了測(cè)試，研究表明：在-20℃低溫?cái)R置后，該電池外形沒(méi)有發(fā)生變化，在低溫下充人的容量為常溫的83%；在65℃高溫?cái)R置后，電池在高溫下充人的容量?jī)H為常溫的20. 8%，且再將電池恢復(fù)至，常溫后其容量無(wú)法恢復(fù)。可見(jiàn)該電池的低溫充放電，性能優(yōu)于其高溫性能，但都劣于常溫充放電性能。而對(duì)于電池在高低溫條件下的充放電現(xiàn)象的具體原因，我們將在后續(xù)的試驗(yàn)中做更進(jìn)一步的研究。