功率型鋰離子動(dòng)力電池的高低溫容量特性

王元奎，魏平芬

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部，云南昆明650118；2.海軍駐昆明705研究所軍事代表室，云南昆明650118)

功率型鋰離子動(dòng)力電池的高低溫容量特性

王元奎1，魏平芬2

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部，云南昆明650118；2.海軍駐昆明705研究所軍事代表室，云南昆明650118)

放電容量和放電倍率是功率型鋰離子動(dòng)力電池的重要特性指標(biāo)，均與環(huán)境溫度緊密相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，功率型鋰離子動(dòng)力電池的高倍率放電容量隨溫度的降低而迅速下降，隨溫度的升高基本保持不變；低溫下的放電電壓平臺(tái)明顯下降，隨溫度的升高有所上升，低溫下的電壓變化速度大于高溫；在常溫條件下，放電容量隨倍率的升高而降低，但變化速度不如溫度引起的變化明顯。

鋰離子電池；環(huán)境溫度；容量；倍率

隨著科技的發(fā)展，鋰離子電池在電動(dòng)汽車(chē)、水中兵器、空中武器、臨近空間等運(yùn)用場(chǎng)合得到了廣泛的運(yùn)用，同時(shí)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的高倍率放電、長(zhǎng)時(shí)間放電、極端環(huán)境溫度下放電性能提出了更高的需求。根據(jù)實(shí)際使用需求，鋰離子電池發(fā)展為能量型和功率型兩種：能量型適合于低倍率放電，功率型適合于高倍率放電。鋰離子電池的放電性能與放電倍率、環(huán)境溫度直接相關(guān)[1-5]，特別是環(huán)境溫度還直接關(guān)系著電池組的使用安全性、輸出電壓特性以及電池內(nèi)阻特性[6-7]，這些因素又直接影響著成組工程應(yīng)用的使用條件與使用環(huán)境。因此，對(duì)鋰離子電池在不同環(huán)境溫度下放電容量與倍率之間的關(guān)系開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究與分析，找出工程應(yīng)用的邊界條件，對(duì)電池組使用條件的制定和成組參數(shù)的確定有較高的參考價(jià)值。本文對(duì)功率型鋰離子動(dòng)力電池的高低溫容量特性進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，并對(duì)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究，最后給出了相關(guān)結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為型號(hào)15DR(標(biāo)稱(chēng)3.7 V/15.2 Ah)的功率型鋰離子動(dòng)力電池(廈門(mén)產(chǎn))，正極為三元(鎳鈷錳)材料體系，單體電芯容量為17.6 Ah(1倍率放電至截止電壓3.0 V)。在常溫下以0.5恒流充電至4.20 V，4.20 V恒壓至0.05結(jié)束充電，代表性的充電曲線如圖1所示。采用電子負(fù)載和高低溫實(shí)驗(yàn)箱，完成充電后，在對(duì)應(yīng)測(cè)試環(huán)境溫度下擱置2 h后進(jìn)行倍率放電容量測(cè)試，分別進(jìn)行不同環(huán)境溫度下高倍率放電容量、室溫環(huán)境下不同倍率放電容量的測(cè)試。

圖1 單體電池充電曲線

2 高低溫特性

2.1 常溫特性

圖2 常溫倍率放電容量特性曲線

放電過(guò)程中對(duì)電池的極耳、電池主體進(jìn)行溫升監(jiān)測(cè)，電池主體的溫升明顯高于極耳。圖3為常溫倍率放電電池主體溫升曲線，隨著放電倍率的升高，電池主體溫升速率變大，20放電最高溫度為75℃，出現(xiàn)在放電結(jié)束后的擱置期。

圖3 常溫倍率放電溫升曲線

2.2 低溫特性

圖4 低溫倍率放電容量特性曲線

圖5為低溫倍率放電電池主體溫度變化曲線，隨著環(huán)境溫度的降低，電池主體溫升速率變大，最高溫度同樣出現(xiàn)在放電結(jié)束后的擱置期。主要是由于在低溫下，電導(dǎo)率相對(duì)常溫時(shí)變低，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率變慢，電極的反應(yīng)活性降低，Li+的擴(kuò)散速率下降，電池內(nèi)部阻抗增大，導(dǎo)致電極的嵌脫鋰能力降低，從而造成放電電壓平臺(tái)降低，放電容量隨著溫度降低而急劇下降。

圖5 低溫倍率放電溫升曲線

2.3 高溫特性

圖6 高溫倍率放電容量特性曲線

圖7為高溫倍率放電電池主體溫度變化曲線，隨著環(huán)境溫度的升高，電池主體溫升速率變小，最高溫度同樣出現(xiàn)在放電結(jié)束后的擱置期。

圖7 高溫倍率放電溫升曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了功率型鋰離子動(dòng)力電池的高倍率放電容量、放電電壓與溫度之間的關(guān)系，分析放電容量特性曲線、溫升曲線可以得出以下結(jié)論：

(2)環(huán)境溫度對(duì)鋰離子電池的高倍率放電容量影響很大，低溫時(shí)放電容量迅速衰減，高溫時(shí)放電容量基本不變；

(3)環(huán)境溫度是影響鋰離子電池高倍率放電平臺(tái)電壓的關(guān)鍵因素，低溫時(shí)放電平臺(tái)電壓下降明顯，高溫時(shí)放電平臺(tái)電壓有所上升，但其變化速度小于低溫時(shí)；

(4)電池成組運(yùn)用時(shí)，需要充分考慮使用環(huán)境條件，根據(jù)使用環(huán)境溫度下的放電平臺(tái)電壓確定成組參數(shù)。

環(huán)境溫度是影響功率型鋰離子動(dòng)力電池高倍率放電的關(guān)鍵，同時(shí)也是鋰離子電池工程運(yùn)用的瓶頸技術(shù)之一，制約著鋰離子電池在極端環(huán)境溫度條件下的使用。這些結(jié)論明確了功率型鋰離子動(dòng)力電池高倍率放電時(shí)的高低溫特性，對(duì)于電池工程運(yùn)用成組設(shè)計(jì)及熱管理具有重要意義。

[1]李哲，韓雪冰，盧蘭光，等.動(dòng)力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011(18)：115-120．

[2]桂長(zhǎng)青.溫度對(duì)LiFePO4鋰離子動(dòng)力電池的影響[J].電池，2011 (2)：88-91.

[3]趙鴻飛，鄧爽，汝坤林，等．高低溫對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力鋰離子電池性能的影響[J]．電池，2012(2)：88-90．

[4]杜曉莉，鄧爽，王宏偉．錳酸鋰動(dòng)力電池高低溫性能研究[J]．電池工業(yè)，2012(3)：147-149．

[5]史瑞祥，夏晴，楊杰，等．電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池低溫性能研究[J]．客車(chē)技術(shù)與研究，2012(2)：52-54．

[6]郭宏榆，姜久春，王吉松，等．功率型鋰離子動(dòng)力電池的內(nèi)阻特性[J]．北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(5)：119-123．

[7]張志杰，李茂德．鋰離子電池內(nèi)阻變化對(duì)電池溫升影響分析[J]．電源技術(shù)，2010(2)：128-130．

High/low temperature capacity characteristics of power lithium-ion battery

The characteristics of power Lithium-ion batteries were closely connected to ambient temperature，such as discharge capacity and rate.The experiments results show that the discharge capacity in high rate of power lithium-ion battery drops sharply when the temperature goes down,only slightly change appears when the temperature goes up; the discharge voltage drops sharply under low temperature,and increases with a relatively slower rate than under low temperature when the temperature goes up;with normal temperature,the discharge capacity decrease with the rise of discharge rate,and the change rate is not obvious such as the affect by temperature.

lithium-ion battery;ambient temperature;capacity;rate

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2079-03

2015-03-15

王元奎(1978—)，男，云南省人，高級(jí)工程師，碩士生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)力技術(shù)。