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锂离子电池高低温充放电性能研究

锂离子电池具有高的能量密度,加上设计灵活性及循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、对环境无污染等显著特点,在移动式电子设备、电动汽车以及国,防军工等高技术领域得到了越来越广泛的应用,但是由于电动汽车、航天及军事等领域的使用环境比较苛刻,要求锂离子电池要在较宽的温度范围内使用,因比其高低温性能一直备受人们的关注。本文以一种国内已商品化的锂离子电池的科研改进型号为研究对象,对其在高低温条件下的性能进行了测试,为厂家改进电池工艺提供了一定的数据参考。

锂离子电池


1、实验

1. 1仪器与材料
实验仪器:高精度电池性能测试系统、RK-TD-150高低温防爆试验箱(东莞瑞凯/RIUKAI产)、RK-TH-408L恒温恒湿试验箱(东莞瑞凯/RIUKAI产)。
实验电池:国产电池芯、标称电压37 V、标称容量11 Ah。
1.2  实验方法及条件
(1)试验前准备工作:
a.在常温(23±2)℃下,将实验所用电池稳定循环5次。充放电条件:将电池用3500 mA恒流充电到4.2 V转恒压充电至350 mA;充放电之间搁置1h;用3 500 mA恒流放电至27 V。
b.分别将电池在-20℃和65 ℃的环境条件下搁置6 h,再进行不同温度(-20℃和65℃)下的充放电实验。
(2)高低温充放电
将电池置于高温防爆箱(65℃)或调温调湿箱(-20 ℃)中,用3 500 mA恒流充电到42 V转恒压充电至350 mA;充放电之间搁置1 h;用3500 mA恒流放电至2 7 V。

2、实验结果及讨论

2.1 锂离子电池的低温充放电性能
电池在常温(23±2)℃和低温(-20 ℃)条件下的充电曲线如图1所示。



表1 锂电子电池在常温和低温下的充电容量

图1 锂离子电池在常温和低温下的充电曲线

表1给出了电池在常温与低温下的恒流恒压充电容量与充电总容量的数值。
结合图1和表1可知,与常温充电过程相比,电池在低温时.恒流充电过程中的端电压升高(可能是,由于在低温条件下,电池的极化比较大,相应的电压变化也比较大),恒流充电时间降低,而其恒压充电时间明显延长,使得电池的平均充电电压上升,充电效率降低。电池的恒流充电容量与充电总容量降低,室温条件下,电池的恒流充电容量与充电总容量之比为52%;当温度降到-20 ℃ ,电池的恒流充电容量与充电总容量之比仅为6. 2%。原因分析:电池在低温下,电池中的活性物质的化学活性降低;电解液中的部分溶剂凝固,导致Lit迁移的数量减少,导电能力下降;电池充电的过程中出现大量金属锂沉积,浓差极化增加,电压快速升高。

电池分别在常温(23±2)℃和低温-20 ℃条件下的放电曲线如图2所示。


图2 电池在常温和低温下的放电曲线

从图中可以看出:在-20 ℃时,锂离子电池放电过程的端电压降低,放电平均电压降低,放电的电压平台较常温而言下降较快。这可能是由于在低温条件下,电解液的离子导电率降低,导致低温下欧姆极化、浓度极化和电化学极化均增大,在电池放电曲线上就表现为放电电压的降低。对于其容量而言,由于低温时的充电效率不高,导致其放电容量也相应下降。从电池的微观来看,低温(<0 ℃)充电会引发锂离子还原成金属锂枝晶反应,这种锂金属枝晶,锐角锋利,易刺穿电池内部隔膜,引发电池内短路,存在一定的安全隐患。
2.2 锂离子电池的高温充放电性能

电池分别在常温(23±2)℃和高温65℃条件下的充电曲线如图3所示。


图3 电池在温和高温下的充电曲线

表2给出了电池在常温与低温下的恒流、恒压充电容量与充电总容量的数值。


表 2 锂离子电池在常温和高温下的充电容量

结合图3和表2可以看出:与常温充电过程相比,电池在高温时的充电电压迅速升高到充电限制电压;恒流充电时间明显降低,而其恒压充电时间几乎为0,整个充电过程迅速结束。电池在65 ℃储存一段时间后,在该条件下充人的容量仅为常温的20.8%。这可能是由于在高温条件下充电时,电池的正负极材料表面SEI膜发生变化、电解液等可能在高温条件下发生一定的副反应、活性锂的量减少以及电池的内部结构发生了一定的不可逆变化,使得电池的内阻增大。同时,电池中的某些添加剂在常温时有利于电池性能的提高,但其在高温条件下却不一定可以起到同样的效果。
电池分别在常温(23±2)℃和高温65 ℃条件下的放电曲线如图4所示。

图4 电池在常温和高温下的放电曲线
从图中可以看出:在65℃时锂离子电池的放电起始电压明显下降,放电时间减少;同时由于充电接受能力下降造成充人容量降低.故其放电容量低。
随后将该电池重新置于室温环境搁置一段时间待其稳定后,再对其进行充放电实验,发现这种由于高温引起的变化呈现出严重的不可逆性。这可能是由于高温条件下,引起了电池电解液的分解或者是电池材料的结构发生了不可逆的变化,导致电池在高温条件下充放电电压平台以及容量的下降。
电池经高温充放电后,电池在室温下搁置观察无变形,无爆炸等现象,这些指标均符合电池标准要求。

3、结论

本文对电池在低温-20 ℃和高温65 ℃下的充放电性能进行了测试,研究表明:在-20℃低温搁置后,该电池外形没有发生变化,在低温下充人的容量为常温的83%;在65℃高温搁置后,电池在高温下充人的容量仅为常温的20. 8%,且再将电池恢复至,常温后其容量无法恢复。可见该电池的低温充放电,性能优于其高温性能,但都劣于常温充放电性能。而对于电池在高低温条件下的充放电现象的具体原因,我们将在后续的试验中做更进一步的研究。


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