基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的21700鋰電池對(duì)比分析

徐 晶 ，徐 鑫 ，相飛飛 ，施蘇航

（揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 215000）

0 引言

21700鋰電池由于具有能量密度高、成本低的優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)推出就在電動(dòng)汽車行業(yè)引發(fā)替代18650鋰電池的狂潮。研究發(fā)現(xiàn)，同種材料的21700鋰電池的能量密度要比18650鋰電池要高出35%[1-2]。針對(duì)18650鋰電池的研究已經(jīng)十分詳實(shí)，但關(guān)于21700鋰電池的文獻(xiàn)卻寥寥無(wú)幾。通過(guò)對(duì)市面上不同型號(hào)的21700鋰電池的評(píng)測(cè)，發(fā)現(xiàn)不同型號(hào)的21700鋰電池之間的性能也有較大差距[3-5]。因此，在21700鋰電池的選型當(dāng)中也需要格外注意。然而，之前研究的對(duì)象都是不同規(guī)格之間的鋰電池，如Jason B. Quinn等對(duì)比分析了18650與21700電池在能量、容量、能量密度、內(nèi)阻和熱特性、成本上的差異[6]。Thomas Waldmann等在電化學(xué)、熱學(xué)和幾何性質(zhì)方面，將經(jīng)典的18650鋰離子電池與新的21700鋰電池進(jìn)行了直接比較[7]。因?yàn)?8650型與21700型電池在尺寸、工藝等方面相差很大，所以鮮少有同規(guī)格鋰電池之間的直接對(duì)比[8]。

關(guān)于18650鋰電池的熱力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)與仿真研究已經(jīng)有很多，主要是針對(duì)同一型號(hào)的電池在不同工況下的比較[9-10]，所以通過(guò)直接對(duì)比與深入了解不同型號(hào)的鋰電池之間的差異性和相似性是非常有必要的?；诖?，本研究選用相同規(guī)格不同型號(hào)的21700鋰電池在多個(gè)尺度進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)熱電偶傳感器采集電池在不同工況下放電的表面溫度，來(lái)獲取放電時(shí)21700鋰電池的熱力學(xué)性能。此外，還通過(guò)電壓和容量這兩方面進(jìn)行補(bǔ)充，以此對(duì)鋰電池性質(zhì)進(jìn)行深入研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本研究選用同一公司生產(chǎn)的兩款不同規(guī)格的電池，確保生產(chǎn)技術(shù)及管理的一致性。這兩款電池的基本參數(shù)如表1所示。

表1 鋰電池基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本次研究對(duì)象為21700型鋰電池，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架包括21700型鋰電池若干、1個(gè)鋰電池充電器、1個(gè)330-00A恒溫箱、3根K型熱電偶、1個(gè)RS20K-C熱電偶溫度變送器、1個(gè)TEC-80K型大功率電子負(fù)載、1個(gè)自制電池測(cè)試架、1個(gè)電池內(nèi)阻測(cè)試儀、2個(gè)USB轉(zhuǎn)485數(shù)據(jù)采集器以及1臺(tái)筆記本電腦。330-00A恒溫箱用于模擬恒溫環(huán)境，RS20K-C熱電偶溫度變送器用于采集電池的表面溫度，USB轉(zhuǎn)485數(shù)據(jù)采集器用于接收或發(fā)送信號(hào)，TEC-80K型大功率電子負(fù)載用于對(duì)鋰電池以不同放電倍率進(jìn)行恒流放電，同時(shí)還能采集放電的電壓和電流，電池測(cè)試架用于固定電池，筆記本電腦用于采集處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)儀器具體的性能參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器性能參數(shù)表

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

為了保證實(shí)驗(yàn)對(duì)象的一致性，首先要對(duì)電池進(jìn)行初選，盡可能地選擇出電阻一致的電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，本研究準(zhǔn)備了A型和B型電池各50個(gè)，對(duì)這些電池進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試，內(nèi)阻測(cè)試原理圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)阻測(cè)試原理圖

對(duì)電池內(nèi)阻測(cè)試完成后，再對(duì)電池進(jìn)行容量測(cè)試，從各型電池中分別選擇5個(gè)容量和電阻均較一致的電池進(jìn)行熱力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)分析，原理圖如圖2所示。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：將鋰電池充電至截止電壓4.2 V靜置1 h后，再將電池放在恒溫環(huán)境下靜置1 h，當(dāng)鋰電池的測(cè)試點(diǎn)的溫度與設(shè)定溫度值相差±1 ℃時(shí)，對(duì)鋰電池進(jìn)行放電倍率為0.5C~2C以及環(huán)境溫度為25 ℃~40 ℃的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖2 熱力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)原理圖

2 結(jié)果與討論

本研究對(duì)50個(gè)A型和B型鋰電池的內(nèi)阻實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，B型電池的內(nèi)阻均低于A型電池的內(nèi)阻，A型和B型電池的平均電阻分別為15.3 mΩ和6.6 mΩ，平均內(nèi)阻差值為8.7 mΩ，A型和B型電池內(nèi)阻的最大差值分別為1.9 mΩ和2.9 mΩ。

圖3 A型和B型鋰電池內(nèi)阻

40T和50G鋰電池不同環(huán)境溫度下0.5C放電倍率壓降圖如圖4所示。在放電初期DOD=0~0.1區(qū)間內(nèi)，電壓下降速率較快，這是由于放電初始電池端電壓是從浮充電壓轉(zhuǎn)化為開(kāi)路電壓。在放電中期DOD=0.1~0.8區(qū)間內(nèi)，電壓下速率較為平滑穩(wěn)定。在放電后期DOD=0.8~1區(qū)間內(nèi)，電壓急速下降至截止電壓。從圖4中可以看出，環(huán)境溫度越高，電壓值也就越大，這是因?yàn)樵诤侠淼臏囟确秶鷥?nèi)，隨著溫度的升高，電解液的傳輸速度更快，導(dǎo)致鋰離子遷移速度加快，從而提高了輸出功率。從整體來(lái)看，不同環(huán)境溫度下以0.5C放電倍率進(jìn)行放電時(shí)，40T鋰電池的電壓值均低于50G鋰電池，40 ℃時(shí)40T電池的放電電壓與25 ℃時(shí)50G電池的放電電壓相接近。因此，相同環(huán)境溫度以及放電倍率下，50G鋰電池的輸出功率更高。

圖4 40T和50G鋰電池不同環(huán)境溫度下0.5C放電倍率壓降圖

25 ℃的恒溫環(huán)境下，以0.5C~2C的放電倍率進(jìn)行放電時(shí)，40T鋰電池與50G鋰電池的容量圖如圖5所示。由圖5可知，相同環(huán)境溫度下隨著放電倍率的增大，電池的放電容量逐漸降低，50G鋰電池在1C、1.5C、2C放電倍率下的容量衰減幅度均大于40T鋰電池。因此，40T鋰電池在不同放電倍率下的容量穩(wěn)定性更好。

圖5 相同環(huán)境溫度不同放電倍率的容量圖

40T和50G鋰電池在25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃環(huán)境溫度下以0.5C放電倍率進(jìn)行恒流放電時(shí)的容量圖如圖6所示。由圖6可知，在相同放電倍率下進(jìn)行恒流放電時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，40T和50G鋰電池的放電容量都隨之升高。在30 ℃、35 ℃、40 ℃環(huán)境溫度工況下，50G鋰電池的容量增長(zhǎng)幅度均大于40T鋰電池。因此，50G鋰電池在較高環(huán)境溫度下有更大的容量。

圖6 相同放電倍率不同環(huán)境溫度的容量圖

40T和50G鋰電池在以1C放電倍率進(jìn)行恒流放電時(shí)，在不同環(huán)境溫度下的電池表面溫度對(duì)比如圖7所示。從整體來(lái)看，放電時(shí)鋰電表面溫度的上升速率呈先上升后下降再上升的趨勢(shì)，這是由于放電初期由于電池本身的內(nèi)阻，生熱率快速上升，中期由于放電穩(wěn)定，因此溫升速率降低，放電后期內(nèi)阻受溫度影響，溫升速率又呈上升趨勢(shì)。由圖7可知，在25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃恒溫環(huán)境下，40T鋰電池整體溫升曲線均高于50G鋰電池。因此，在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行恒流放電時(shí)，50G鋰電池溫度均一性更好。

圖7 40T和50G鋰電池相同放電倍率不同環(huán)境溫度的溫升曲線

40T和50G鋰電池在25 ℃恒溫環(huán)境下，以不同放電倍率進(jìn)行放電的電池表面實(shí)際測(cè)量溫度的對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，在同一環(huán)境溫度下，40T鋰電池和50G鋰電池的放電電流越大，電池表面溫度的上升速率也越快；放電電流越小，電池表面溫度上升速率越慢。40T鋰電池在25 ℃恒溫環(huán)境下以0.5C、1.0C、1.5C、2.0C的放電倍率進(jìn)行放電的實(shí)際測(cè)量溫度的最高溫度分別為35.3 ℃、48.8 ℃、59.9 ℃、66.2℃。50G鋰電池在25 ℃恒溫環(huán)境下以0.5C、1.0C、1.5C、2.0C的放電倍率進(jìn)行放電的實(shí)際測(cè)量溫度的最高溫度分別為32.3 ℃、39.7 ℃、49.4 ℃、58.1 ℃。50G鋰電池的最高溫度均比40T鋰電池的低，且在1.5C放電倍率時(shí)，最高溫度差達(dá)最大值10.5 ℃。兩款電池溫升趨勢(shì)相近，但在相同環(huán)境溫度不同放電倍率工況下，50G鋰電池的溫升均低于40T鋰電池。

圖8 40T和50G鋰電池相同環(huán)境溫度不同放電倍率下的溫升曲線

3 結(jié)果與結(jié)論

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比兩款相同規(guī)格不同型號(hào)的21700鋰電池的內(nèi)阻，研究了兩款電池在環(huán)境溫度、放電倍率這兩關(guān)鍵因素下的電壓、容量、放電溫度。主要結(jié)論如下：

1）40T鋰電池內(nèi)阻小于50G鋰電池內(nèi)阻，平均差值為8.7 mΩ。

2）在相同環(huán)境溫度以及放電倍率下，50G鋰電池放電電壓均高于40T鋰電池，因此50G鋰電池的輸出功率更高。

3）在相同環(huán)境溫度下隨著放電倍率的增大，50G鋰電池的容量衰減幅度均大于40T鋰電池，40T鋰電池在不同放電倍率下的容量穩(wěn)定性更好；在相同放電倍率下隨著環(huán)境溫度的升高，50G鋰電池的容量增長(zhǎng)幅度均大于40T鋰電池，50G鋰電池在較高環(huán)境溫度下有更大的容量。

4）在相同放電倍率不同環(huán)境溫度下，50G鋰電池溫升曲線均低于40T鋰電池；在相同環(huán)境溫度不同放電倍率工況下，50G鋰電池的溫升均低于40T鋰電池。因此，50G鋰電池有更好的溫度穩(wěn)定性。