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    鋰離子電池高低溫充放電性能研究

        鋰離子電池具有高的能量密度,加上設計靈活性及循環壽命長、無記憶效應、自放電率低、對環境無污染等顯著特點,在移動式電子設備、電動汽車以及國,防軍工等高技術領域得到了越來越廣泛的應用,但是由于電動汽車、航天及軍事等領域的使用環境比較苛刻,要求鋰離子電池要在較寬的溫度范圍內使用,因比其高低溫性能一直備受人們的關注。本文以一種國內已商品化的鋰離子電池的科研改進型號為研究對象,對其在高低溫條件下的性能進行了測試,為廠家改進電池工藝提供了一定的數據參考。

    鋰離子電池

        1、實驗

        1. 1儀器與材料
        實驗儀器:高精度電池性能測試系統、RK-TD-150高低溫防爆試驗箱(東莞瑞凱/RIUKAI產)、RK-TH-408L恒溫恒濕試驗箱(東莞瑞凱/RIUKAI產)。
        實驗電池:國產電池芯、標稱電壓37 V、標稱容量11 Ah。
        1.2  實驗方法及條件
        (1)試驗前準備工作:
        a.在常溫(23±2)℃下,將實驗所用電池穩定循環5次。充放電條件:將電池用3500 mA恒流充電到4.2 V轉恒壓充電至350 mA;充放電之間擱置1h;用3 500 mA恒流放電至27 V。
        b.分別將電池在-20℃和65 ℃的環境條件下擱置6 h,再進行不同溫度(-20℃和65℃)下的充放電實驗。
        (2)高低溫充放電
        將電池置于高溫防爆箱(65℃)或調溫調濕箱(-20 ℃)中,用3 500 mA恒流充電到42 V轉恒壓充電至350 mA;充放電之間擱置1 h;用3500 mA恒流放電至2 7 V。

        2、實驗結果及討論

        2.1 鋰離子電池的低溫充放電性能
        電池在常溫(23±2)℃和低溫(-20 ℃)條件下的充電曲線如圖1所示。


    表1 鋰電子電池在常溫和低溫下的充電容量

    圖1 鋰離子電池在常溫和低溫下的充電曲線

        表1給出了電池在常溫與低溫下的恒流恒壓充電容量與充電總容量的數值。
        結合圖1和表1可知,與常溫充電過程相比,電池在低溫時.恒流充電過程中的端電壓升高(可能是,由于在低溫條件下,電池的極化比較大,相應的電壓變化也比較大),恒流充電時間降低,而其恒壓充電時間明顯延長,使得電池的平均充電電壓上升,充電效率降低。電池的恒流充電容量與充電總容量降低,室溫條件下,電池的恒流充電容量與充電總容量之比為52%;當溫度降到-20 ℃ ,電池的恒流充電容量與充電總容量之比僅為6. 2%。原因分析:電池在低溫下,電池中的活性物質的化學活性降低;電解液中的部分溶劑凝固,導致Lit遷移的數量減少,導電能力下降;電池充電的過程中出現大量金屬鋰沉積,濃差極化增加,電壓快速升高。

        電池分別在常溫(23±2)℃和低溫-20 ℃條件下的放電曲線如圖2所示。


    圖2 電池在常溫和低溫下的放電曲線

        從圖中可以看出:在-20 ℃時,鋰離子電池放電過程的端電壓降低,放電平均電壓降低,放電的電壓平臺較常溫而言下降較快。這可能是由于在低溫條件下,電解液的離子導電率降低,導致低溫下歐姆極化、濃度極化和電化學極化均增大,在電池放電曲線上就表現為放電電壓的降低。對于其容量而言,由于低溫時的充電效率不高,導致其放電容量也相應下降。從電池的微觀來看,低溫(<0 ℃)充電會引發鋰離子還原成金屬鋰枝晶反應,這種鋰金屬枝晶,銳角鋒利,易刺穿電池內部隔膜,引發電池內短路,存在一定的安全隱患。
        2.2 鋰離子電池的高溫充放電性能

        電池分別在常溫(23±2)℃和高溫65℃條件下的充電曲線如圖3所示。


    圖3 電池在溫和高溫下的充電曲線

        表2給出了電池在常溫與低溫下的恒流、恒壓充電容量與充電總容量的數值。


    表 2 鋰離子電池在常溫和高溫下的充電容量

        結合圖3和表2可以看出:與常溫充電過程相比,電池在高溫時的充電電壓迅速升高到充電限制電壓;恒流充電時間明顯降低,而其恒壓充電時間幾乎為0,整個充電過程迅速結束。電池在65 ℃儲存一段時間后,在該條件下充人的容量僅為常溫的20.8%。這可能是由于在高溫條件下充電時,電池的正負極材料表面SEI膜發生變化、電解液等可能在高溫條件下發生一定的副反應、活性鋰的量減少以及電池的內部結構發生了一定的不可逆變化,使得電池的內阻增大。同時,電池中的某些添加劑在常溫時有利于電池性能的提高,但其在高溫條件下卻不一定可以起到同樣的效果。
        電池分別在常溫(23±2)℃和高溫65 ℃條件下的放電曲線如圖4所示。

    圖4 電池在常溫和高溫下的放電曲線
        從圖中可以看出:在65℃時鋰離子電池的放電起始電壓明顯下降,放電時間減少;同時由于充電接受能力下降造成充人容量降低.故其放電容量低。
    隨后將該電池重新置于室溫環境擱置一段時間待其穩定后,再對其進行充放電實驗,發現這種由于高溫引起的變化呈現出嚴重的不可逆性。這可能是由于高溫條件下,引起了電池電解液的分解或者是電池材料的結構發生了不可逆的變化,導致電池在高溫條件下充放電電壓平臺以及容量的下降。
    電池經高溫充放電后,電池在室溫下擱置觀察無變形,無爆炸等現象,這些指標均符合電池標準要求。

        3、結論

        本文對電池在低溫-20 ℃和高溫65 ℃下的充放電性能進行了測試,研究表明:在-20℃低溫擱置后,該電池外形沒有發生變化,在低溫下充人的容量為常溫的83%;在65℃高溫擱置后,電池在高溫下充人的容量僅為常溫的20. 8%,且再將電池恢復至,常溫后其容量無法恢復??梢娫撾姵氐牡蜏爻浞烹?,性能優于其高溫性能,但都劣于常溫充放電性能。而對于電池在高低溫條件下的充放電現象的具體原因,我們將在后續的試驗中做更進一步的研究。

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