一款電動(dòng)汽車用鋰離子電池循環(huán)過程中的性能研究

龔明光　朱強(qiáng)　范恒斌

摘 要：以一款市售的40Ah三元離子電池為研究對象，研究其在充放電循環(huán)過程一致性的變化、高低溫放電性能以及倍率充放電性能。結(jié)果表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，樣品的容量一致性變差，低溫特性和倍率充電性能變差，而高溫放電特性和倍率放電性能基本無衰減。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 循環(huán) 性能

Study on the Performance of Lithium-ion Battery in Electric Vehicle during Cycling Test

Gong Mingguang Zhu Qiang Fan Hengbin

Abstract：A 40Ah ternary lithium-ion battery was used as the research object to study its consistency change， high and low temperature discharge performance and rate charge and discharge performance during the charging and discharging cycle. The results show that with the increase of the number of cycles， the consistency of the sample capacity becomes worse， the low temperature characteristic and the rate charge performance become worse， while the high temperature discharge characteristic and the rate discharge performance are basically not attenuated

Key words：lithium-ion battery， cycle， performance

1 引言

近幾年來，新能源動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，動(dòng)力鋰離子電池作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓矗谡噾?yīng)用中仍然占據(jù)最重要的位置之一[1-3]，電池性能的優(yōu)劣仍然直接影響電動(dòng)汽車的整體性能。然而隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增加以及電池系統(tǒng)的能量密度不斷攀升，電動(dòng)汽車的電性能投訴率以及起火事故逐步增加，其中續(xù)航里程是其中一個(gè)重要的電性能投訴焦點(diǎn)。目前針對動(dòng)力鋰離子電池性能研究較多的仍然是集中在未經(jīng)過充放電的新鮮電池以及壽命末期的電性能和安全性能[4-5]，而在充放電循環(huán)過程中疊加溫度特性和倍率充放電特性的研究相對較少。

本文以一款市售的40Ah三元鋰離子電池為研究對象，研究其在循環(huán)前后以及循環(huán)過程中的容量一致性、倍率充放電以及高低溫放電性能的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)對象和搭建測試平臺(tái)

本文選擇一款電動(dòng)汽車用40Ah三元離子方形鋁殼電池，其正極材料為鎳鈷錳三元，負(fù)極為人造石墨，電池標(biāo)準(zhǔn)充放電電流倍率均為1C。電池電性能測試平臺(tái)主要包括電池充放電測試設(shè)備、環(huán)境箱和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其中電池充放電測試設(shè)備為青島迪卡龍，型號MCY100-05-8ME，電壓量程0～50V，電流量程1～100A，環(huán)境箱廠家為無錫南亞，溫度范圍-40～120℃，溫度波動(dòng)度±2℃，數(shù)據(jù)采集設(shè)備為日置LR8400-21，用于采集試驗(yàn)過程中的溫度。采用型號日置內(nèi)阻儀測試電池在1kHz下的交流內(nèi)阻。

2.2 試驗(yàn)流程

室溫條件，首先對6組樣品進(jìn)行初始電性能測試，電性能測試包括不同充放電倍率對應(yīng)的充放電容量測試、滿電態(tài)內(nèi)阻測試、倍率充放電和高低溫容量測試，然后進(jìn)行充放電循環(huán)，每250次循環(huán)后進(jìn)行內(nèi)阻、倍率充放電和高低溫容量測試，其中充電電流倍率為2C，放電電流倍率為2.5C，低溫測試溫度為-20℃，高溫測試溫度為45℃，直到循環(huán)次數(shù)達(dá)到1000次（N=4）。

3 結(jié)果與討論

3.1 初始性能分析

3.1.1 不同放電倍率放電性能

分別采用0.1C、0.2C、0.33C、0.5C、0.75C、1C、1.5C、2C、2.5C共9種放電倍率，考察不同放電倍率條件下，樣品的放電容量。圖1中可以看出，不同樣品的放電總體趨勢是保持一致，放電容量先隨著放電倍率先增加后趨于平穩(wěn)，這可能是由于隨著放電倍率的增加，放電過程中電池內(nèi)部溫度上升，電池活性增加，歐姆下降，放電容量升高，而放電倍率進(jìn)一步升高，放電過程中的電荷轉(zhuǎn)移極化以及離子擴(kuò)散極化電阻增加，占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致放電容量略有降低。

進(jìn)一步地，分析不同放電倍率和放電時(shí)間的關(guān)系，試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖2的曲線，6組電池樣品放電曲線一致性較高，重合度較好，命名放電倍率為C，放電時(shí)間為t，利用origin8.5數(shù)據(jù)處理軟件對測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理擬合，模型采用allometric1，擬合方程選擇y=a*x^b，擬合結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果與根據(jù)方程擬合的曲線基本吻合，只不過每個(gè)樣品的a、b值略有不同，該方程同樣符合經(jīng)典的Peukert方程[6]。

3.1.2 不同充電倍率充電性能

電池的充電性能不僅和充電的溫度環(huán)境、充電倍率，而且也和電池的放電狀態(tài)有關(guān)，分別采用0.5C、1C、1.5C、2C四個(gè)充電電流倍率，放電電流倍率均為1C，研究電池在室溫條件下的充電容量和充電倍率的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示，不同樣品的倍率充電曲線基本一致，隨著充電倍率的增加，充電容量呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，1.5C充電容量為0.5C倍率充電的84.26%～85.87%。2C倍率充電容量略有升高，為0.5C倍率充電的86.27～89.99%，2C倍率的充電容量相對于1.5C略有增加，這可能歸于高倍率充電導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度發(fā)熱較高，歐姆電阻降低，鋰離子擴(kuò)散加快導(dǎo)致界面電阻降低，在實(shí)際應(yīng)用中，整車電池系統(tǒng)在進(jìn)行快速充電時(shí)需解決充電過程中的熱管理問題，避免電池因過熱而發(fā)生熱失控。

3.2 循環(huán)性能

圖5為6組電池樣品在室溫條件下的循環(huán)壽命測試曲線，充電條件為1C恒流恒壓至0.05C，放電電流倍率為1C，充放電間隔30min。從圖中可知，所有測試電池樣品在室溫下循環(huán)的放電容量衰減與充放電循環(huán)次數(shù)近似線性關(guān)系，1000次循環(huán)后容量保持率在79.82%～82.79%。容量線性衰減是比較理想的衰減模型，可以更加準(zhǔn)確的預(yù)測電池的使用壽命，計(jì)算6組樣品的標(biāo)準(zhǔn)差系統(tǒng)評價(jià)其充放電循環(huán)過程中的一致性，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式如下：

其中標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)：

電池首次循環(huán)放電容量標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.008，而1000次循環(huán)后，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)增加至0.018，增加了約一倍，表明電池之間的放電容量一致性變差，意味著單體電池組成系統(tǒng)后可用容量加劇降低，從而影響整車的續(xù)駛里程。

圖6是樣品在不同循環(huán)次數(shù)后的交流內(nèi)阻，顯然內(nèi)阻隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，相對于初始狀態(tài)，內(nèi)阻最高增加約15%。內(nèi)阻包含歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電荷傳遞阻抗以及鋰離子擴(kuò)散阻抗。1kHz測試數(shù)據(jù)主要為歐姆內(nèi)阻，SEI膜的增厚可導(dǎo)致歐姆內(nèi)阻升高，致使電池在充放電終止電壓不變的條件下，充放電時(shí)間縮短，可用容量降低，此外歐姆內(nèi)阻的升高還會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)熱升高，降低電池使用過程中的熱安全性能。然而歐姆內(nèi)阻并非一定是影響循環(huán)性能的主要因素，一般來說，正極與電解液界面間的電荷傳遞以及鋰離子在正負(fù)極中的擴(kuò)散阻抗，也是導(dǎo)致循環(huán)性能惡化的重要方面[7]。

3.3 不同循環(huán)階段的倍率充放電性能

圖7和圖8分別表示6組樣品在不同循環(huán)次數(shù)后的2.5C倍率放電和2C倍率充電曲線。相對于倍率放電性能，不同充放電循環(huán)后，倍率充電衰退加劇，1000次循環(huán)后2C倍率充電容量僅為初始狀態(tài)的65%，而2.5C倍率放電容量仍能保持在96%以上。

3.4 不同循環(huán)階段的高低溫放電性能

圖9和圖10分別為電池在不同循環(huán)后的低溫和高溫放電容量，從圖中可以看出高溫放電性能受循環(huán)次數(shù)影響較小，相對于每第250次循環(huán)放電容量，高溫性能基本無明顯衰減，仍能保持在常溫容量的99%以上，而低溫性能隨著循環(huán)次數(shù)的增加，總體放電性能惡化，從初始狀態(tài)的90%～95%衰退到82.5%～87.4%。和循環(huán)性能衰減機(jī)理類似，影響電池低溫放電性能因素主要有電解液粘度增加，電解液/活性材料之間的界面膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗增大，以及鋰離子在活性物質(zhì)本體中的遷移速率降低，由此造成低溫下電極極化加劇。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，尤其是放電末期鋰離子擴(kuò)散速率降低，界面極化電阻急劇升高，導(dǎo)致放電容量下降。

4 總結(jié)

通過對一款市售的車用三元鋰離子電池循環(huán)前后以及循環(huán)過程中的電性能實(shí)驗(yàn)研究，對不同充放電倍率的初始放電容量，不同循環(huán)階段的倍率充放電和高低溫放電性能予以系統(tǒng)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，放電倍率和放電時(shí)間符合y=a*x^b雙對數(shù)lg-lg方程。隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池的放電容量一致性變差，倍率充電和低溫放電性能明顯下降，而倍率放電和高溫放電性能無明顯劣化。

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