溫度對NCM鋰離子動力電池特性的影響

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(1.新鄉(xiāng)電池研究院有限公司 , 河南 新鄉(xiāng) 453000 ； 2.河南師范大學 , 河南 新鄉(xiāng) 453000)

溫度對NCM鋰離子動力電池特性的影響

劉紅濤1，董紅玉2

(1.新鄉(xiāng)電池研究院有限公司 , 河南 新鄉(xiāng) 453000 ； 2.河南師范大學 , 河南 新鄉(xiāng) 453000)

基于市場上成熟的鎳鈷錳(NCM)鋰離子動力電池產(chǎn)品進行測試。隨著溫度的降低，電池內(nèi)阻增大，電池放電容量減小。同時發(fā)現(xiàn)溫度降低，電池極化內(nèi)阻增大。但電池的歐姆內(nèi)阻基本不隨電池的剩余容量(SOC)變化而變化，極化內(nèi)阻的變化趨勢和等效內(nèi)阻隨SOC的變化趨勢相同。隨著溫度的降低，電池的內(nèi)阻增大，電池的循環(huán)壽命逐漸降低。

溫度 ； 等效內(nèi)阻 ； 極化內(nèi)阻 ； 循環(huán)壽命

Abstract:Testing is based on the mature lithium-ion power battery with NCM cathode on the market.As the temperature decreases,the internal resisitance of the battery increases and the discharge capacity of battery decreases.As the same time,it found that the temperature decreases,polarization resistance of battery increases.However,the ohmic resistance of the battery does not change with the SOC, and the change trend of the polarization resistance and equivalent resistance are the same as the change trend of SOC. As the temperature decreases, the internal resistance of battery increases , the cycle life of battery gradually decreases.

Keywords:temperature ; equivalent resistance ; polarization resistance ; cycle life

0 前言

由于新能源汽車對于緩解環(huán)境污染和能源危機有著重要的意義，因此國家大力推廣新能源汽車[1]。鋰離子電池的長壽命、高電壓、大容量、體積小等優(yōu)點，成為新能源汽車首選的動力來源。目前動力電池技術(shù)路線主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰離子電池等。其中磷酸鐵鋰穩(wěn)定性好、安全性好，但比能量較低。三元鋰離子電池的比能量能達到200 Wh/kg，是新能源汽車更高續(xù)航里程的理想材料。但是其材料活性較高，安全性較低，也是制約其發(fā)展的缺陷[2]。

影響電池性能的因素很多，正負極材料的選擇、黏結(jié)劑、導電劑的配比、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計、電池工藝控制，電池使用環(huán)境、電池管理系統(tǒng)等[3]。溫度對鋰電池的容量、倍率、循環(huán)壽命、內(nèi)阻等有較大的影響，溫度升高可以促進化學反應，但溫度過高就會使得電池發(fā)生熱失控，從而燃燒，引發(fā)安全事故[4]。電池管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計能彌補三元電池安全性差的缺點。研究了電池性能參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，為電池管理系統(tǒng)設(shè)計提供了依據(jù)。

李哲等[5]研究了溫度對磷酸鐵鋰電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對電池的容量、內(nèi)阻等都有較大的影響。本文研究了溫度對三元材料電池性能的影響，為三元電池管理系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 實驗

1.1實驗對象

采用某款車載三元動力電池，標稱容量為32.5 Ah，正極材料為鎳鈷錳(NCM)，為保證其安全性能，正極主材中摻有少量錳酸鋰。

1.2實驗設(shè)備

充放電設(shè)備為arbin電池測試系統(tǒng)，上海博翎儀器設(shè)備有限公司電池測試專用恒溫箱 BLC-300提供測試環(huán)境溫度。

2 實驗結(jié)果

10、25、45 ℃下0.5 C的放電容量如圖1所示。

圖1 10、25、45 ℃下0.5 C的放電容量

從圖1中可以看出，隨著溫度的上升，電池的放電容量逐漸升高。這是由于溫度對電解液的電導率有較大的影響，電解液中主要包括有機溶劑、鋰鹽和添加劑。溫度越低，鋰鹽在有機溶劑中的溶解度就越低，鋰離子溶度就越低。而且有機溶劑的黏度隨溫度降低而增大，鋰離子在有機溶劑中的遷移速度也將隨溫度的降低而減小[6]。根據(jù)電解液的電阻公式：

(1)

其中：L為長度，S為橫截面積，r是電解液的電導率，電導率與離子濃度和遷移速度有關(guān)。因此電導率減小，電池內(nèi)阻增大，容量會隨著溫度的降低而逐漸減小。同時，溫度較低時，隔膜的潤濕和透過性變差，使得電池的容量減小。

可以看出，電池的內(nèi)阻和溫度有很大的關(guān)系。由于交流阻抗所測的電壓誤差值較大，因此采用譚曉軍[7]的測量方法來測量電池的等效內(nèi)阻。此方法采用脈沖電流放電的方法來測定不同SOC(剩余容量)下電池的等效內(nèi)阻。此方法如下：①以0.5 C的放電倍率恒流放電300 s；②靜置3 600 s；③繼續(xù)0.5 C放電300 s，持續(xù)循環(huán)①、②步驟，直到3 V截止電壓。

將每次步驟①結(jié)束放電電壓記為Un(n=1、2……)，每次步驟②結(jié)束開路電壓記為Udn(n=1、2……)，放電電流為I。那么等效內(nèi)阻為：

(2)

利用公式(2)可以計算出不同SOC下電池的等效內(nèi)阻。由于電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，且10 s內(nèi)的電壓回彈來表征為電池的歐姆內(nèi)阻，剩余的為極化內(nèi)阻。不同溫度下電池的等效內(nèi)阻值見圖2。

圖2 不同溫度下電池的等效內(nèi)阻

從圖2中可以看出，電池的等效內(nèi)阻隨著溫度的降低而逐漸增大。這進一步證明不同溫度下電池容量減小是由電阻的原因造成的。同時發(fā)現(xiàn)同一溫度下電池的等效內(nèi)阻隨SOC變化并不是成線性變化的，這可能是由于所測的電池正極材料并非是純的三元材料，其中有少量錳酸鋰材料。錳酸鋰的內(nèi)阻相較三元材料較大，在一些溫度和SOC下，呈現(xiàn)主要作用。不同溫度和SOC下電池的極化內(nèi)阻見圖3。

圖3 不同溫度下電池的極化內(nèi)阻

從圖3中可以看出極化內(nèi)阻隨溫度的降低而增大。這是由于隨著溫度的降低，使得電極/電解液界面上電荷轉(zhuǎn)移速度降低，離子的傳輸動力學性能降低，相應的電化學極化和濃差極化變大，極化內(nèi)阻就會變大[8]。同時也可以發(fā)現(xiàn)同一溫度下極化內(nèi)阻隨SOC的變化趨勢與等效內(nèi)阻的變化趨勢一致。由此我們可以判斷出，同一溫度下電池等效內(nèi)阻隨SOC的變化主要是由于極化內(nèi)阻變化引起的。相應的磷酸鐵鋰電池測試中也有相似的性質(zhì)，歐姆內(nèi)阻基本不隨SOC的變化而變化，內(nèi)阻變化主要是有極化內(nèi)阻引起的。不同溫度下1C倍率放電100次循環(huán)性能測試圖見圖4。

圖4 不同溫度下1C倍率放電100次循環(huán)容量

從圖4中可以看出隨著溫度的降低，電池循環(huán)性能逐漸降低。因為隨著溫度降低，電池極化內(nèi)阻增大。溫度越低，鋰離子在負極中脫出較為容易，嵌入困難，充電時鋰離子會形成金屬鋰，且與電解液反應形成新的SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜)，使得負極表面的SEI膜厚度增加，消耗鋰離子濃度和增大阻抗，使得循環(huán)壽命逐漸降低[9-10]。相同的倍率放電，鋰離子在正極材料中的嵌入/脫出所產(chǎn)生的應力疲勞會加重，影響材料的晶體結(jié)構(gòu)，進而影響電池的循環(huán)壽命[11]。從而使得電池的循環(huán)壽命逐漸降低。因此可以通過手段去控制電池工作溫度以及所處的SOC范圍，可以減小電池極化內(nèi)阻，進而減小電池內(nèi)阻，增加電池的容量和循環(huán)壽命。

3 結(jié)論

隨著溫度的降低，電池放電容量逐漸降低。且隨著溫度的降低，電池內(nèi)阻增大，從而影響電池容量。同時發(fā)現(xiàn)溫度降低，電池極化內(nèi)阻增大，且極化內(nèi)阻的變化趨勢和等效內(nèi)阻的變化趨勢相同。電池的歐姆內(nèi)阻基本不隨電池的SOC變化而變化，而極化內(nèi)阻會隨著SOC的變化而變化。同時隨著溫度的降低，電池的內(nèi)阻增大，電池的循環(huán)壽命逐漸降低。因此設(shè)計電池管理系統(tǒng)時，可以控制電池的工作溫度和SOC范圍，來最大限度發(fā)揮電池的性能。

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EffectofTemperatureonCharacteristicsofNCMLithium-ionPowerBattery

LIUHongtao1,DONGHongyu2

(1.Xinxiang Battery Research Insitute Co.Ltd , Xinxiang 453000 , China ; 2.Henan Normal University , Xinxiang 453000 , China)

TM911

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1003-3467(2017)09-0026-03

2017-06-10

劉紅濤(1988-)，男，助理工程師，從事鋰離子動力電池及系統(tǒng)管理工作，電話：15903883831，E-mail：luzhuang654@126.com。