楊斌, 高迎慧, 樊立萍, 孫瑤鴻，3，嚴(yán)萍，3

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110000；2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所極端電磁研究部，北京 100190; 3.中國(guó)科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

鋰離子電池作為一種新型能源在近些年得到了極大的發(fā)展，應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域，鋰離子電池屬于一種高比能量、環(huán)保型的電源，也因此引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。伴隨鋰離子電池的應(yīng)用范圍以及使用條件難度的加大，就需要對(duì)于電池的性能進(jìn)行更多的關(guān)注。對(duì)于電池的充放電電流進(jìn)行加大，以及體積的縮減，這就造成了電池的溫度升高，在對(duì)于電池的使用過(guò)程當(dāng)中就需要對(duì)于產(chǎn)熱以及散熱問(wèn)題進(jìn)行更多的研究，這樣才能更好地促進(jìn)鋰離子電池的商業(yè)化進(jìn)展[2]。

中外學(xué)者針對(duì)高功率鋰離子電池開(kāi)展了大量的研究。張文佳等[3]對(duì)于鋰離子電池性能的影響因素進(jìn)行了分析，得到了高倍率電池正極性能的因素有材料的結(jié)構(gòu)、材料的顆粒大小和電極膜厚。周權(quán)[4]對(duì)于高功率鈉離子電池進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，并對(duì)其潛在的產(chǎn)熱行為進(jìn)行研究分析，對(duì)鈉離子電池的性能進(jìn)行優(yōu)化。Jeong等[5]提出了一種簡(jiǎn)單有效的優(yōu)化策略，解決了鋰離子電池多孔碳作為負(fù)極材料的初始不可逆容量損失大和初始庫(kù)倫效率低的問(wèn)題，同時(shí)，電池配置過(guò)程中Li摻雜PCM(porous carbon monolith)電化學(xué)性質(zhì)，在高電流密度下表現(xiàn)出較低的初始不可逆容量以及穩(wěn)定的循環(huán)壽命。

電池的容量、壽命、安全性都受到電池工作溫度的影響，研究中電池的溫度長(zhǎng)時(shí)間在50 ℃以上，電池的效率和循環(huán)壽命都會(huì)不斷地降低[6]。作為新一代電動(dòng)車(chē)動(dòng)力來(lái)源，鋰離子電池能夠有效地推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，并能夠及時(shí)地彌補(bǔ)新能源的不足，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，從而提高了可靠性[7]。目前階段研究者更多關(guān)注于電池性能的提升，而對(duì)于電池的熱量問(wèn)題相對(duì)忽視。為此，對(duì)原有的電池進(jìn)行改進(jìn)，分析改進(jìn)后鋰離子電池的放電性能、溫度變化以及相關(guān)熱量和阻值的計(jì)算，各項(xiàng)參數(shù)將會(huì)對(duì)于模擬仿真提供依據(jù)，以期為鋰離子電池的研究提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

以市場(chǎng)銷(xiāo)售的LTO(Li12Ti5O12)型號(hào)電池為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，電池的具體參數(shù)如表1所示，對(duì)于電池的放電性能進(jìn)行測(cè)定，電池與事實(shí)性能高度一致，陽(yáng)極包括羧甲基纖維素和丁苯橡膠作為黏合劑的鈦酸鋰氧化物(Li12Ti5O12)，陰極是與聚偏二氟乙烯(PVDF)結(jié)合并于炭黑混合的Li(Ni0.5Mn0.2Co0.3)O2.電解質(zhì)是EC∶DEC∶DMC(含有1 mol/L LiPE6導(dǎo)電鹽)1∶1∶1混合物，電池的比熱容為1 142 J/(kg·K)，NCM是三元材料中3種金屬鎳(NI)、鈷(CO)、錳(Mn)的英文縮寫(xiě)。

表1 鈦酸鋰電池(1號(hào)和2號(hào))基本參數(shù)

使用可接受充放電流為1 200 A的充放電設(shè)備對(duì)于電池進(jìn)行不同倍率下的放電測(cè)試，充電電流為1 C，充電截止電壓為2.75 V，預(yù)先在電池表面放置兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)電池的溫度變化，并通過(guò)紅外熱成像儀對(duì)電池進(jìn)行熱成像，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

采用充放電設(shè)備對(duì)于分析中出現(xiàn)的不同倍率對(duì)于電池進(jìn)行充放電測(cè)試，以1 C倍率對(duì)于電池進(jìn)行充電，靜置30 min。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用紅外測(cè)溫儀器對(duì)于電池的溫度變化進(jìn)行檢測(cè)。未改進(jìn)的電池定義為1號(hào)電池，改進(jìn)后的電池定義為2號(hào)電池。

HPPC(hybrid pulse power characteristic)測(cè)試步驟如下。

步驟1電池以1 C倍率進(jìn)行充至滿電狀態(tài)。

步驟2靜置60 min。

步驟3按照設(shè)定倍率進(jìn)行10 s放電

步驟4靜置40 s。

步驟5電池以1 C倍率放電至下一個(gè)10%SOC(state of charge)。

步驟6靜置60 min。

步驟7重復(fù)步驟3～步驟6。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種電池的放電分析

1號(hào)電池的放電電壓時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1 1號(hào)電池不同倍率放電電壓時(shí)間變化曲線

1號(hào)電池在不同倍率下的放電時(shí)間以及放出容量取值如表2所示。

由表2可知，電池在40 C倍率下放電時(shí)間僅有24.68 s，無(wú)法用于對(duì)電池性能要求比較高的場(chǎng)合[8]。為了提高電池的放電性能，在原有電池基礎(chǔ)上對(duì)于電池內(nèi)部材料顆粒大小進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的電池可以達(dá)到80 C倍率放電，此種電池的研制將能更好的滿足于一些領(lǐng)域的要求。

表2 1號(hào)電池的放電時(shí)間和容量

2號(hào)電池的放電曲線如圖2所示，在相同倍率40 C下，電池的放電時(shí)間為83 s，相比于1號(hào)電池，2號(hào)電池的放電時(shí)間提升了3倍多。

圖3為2號(hào)電池不同倍率下的電壓變化及其對(duì)應(yīng)的放電深度。

圖3 不同放電倍率對(duì)應(yīng)放電深度

從圖2中可以看出，伴隨著放電倍率的增加，電池都會(huì)到達(dá)一致的截止電壓，但伴隨著放電倍率的增加將會(huì)有不一樣的放電深度，進(jìn)而就會(huì)導(dǎo)致放出的容量逐漸降低，當(dāng)倍率達(dá)到80 C時(shí)，放電深度僅為11.8%。

圖2 2號(hào)電池不同倍率放電電壓時(shí)間變化曲線

此類(lèi)型電池電壓區(qū)間值為1.5～2.8 V，電池放電進(jìn)行到截止電壓后，會(huì)出現(xiàn)電壓回升的狀況，回升數(shù)值都大于0.5 V這是由極化現(xiàn)象導(dǎo)致的。電池再進(jìn)行放電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)歐姆內(nèi)阻，直流內(nèi)阻、極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻的存在導(dǎo)致電壓在放電的第一時(shí)刻出現(xiàn)不同程度的電壓跌落，極化內(nèi)阻的存在會(huì)使得電池在放電至截止電壓結(jié)束以后出現(xiàn)電壓回升[9]。

2.2 電池的內(nèi)阻測(cè)試和分析

根據(jù)HPPC內(nèi)阻測(cè)試，使用式(1)對(duì)于電池在不同倍率下的不同阻值進(jìn)行計(jì)算。Liu等[10]已證明了HPPC內(nèi)阻測(cè)定方法在高倍率放電狀態(tài)下的測(cè)試準(zhǔn)確程度，故采用此方法對(duì)于內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)定。

通過(guò)式(1)計(jì)算可以得到各個(gè)SOC下的內(nèi)阻變化，直流內(nèi)阻Rdis-tot、歐姆內(nèi)阻Rdis-ohm和極化內(nèi)阻Rdis-pola的計(jì)算公式分別為

(1)

式(1)中：V0為靜置末電壓；V1為放電某狀態(tài)結(jié)束電壓；V2為放電起始時(shí)刻電壓；I為放電電流。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試并應(yīng)用式(1)對(duì)不同SOC下的內(nèi)阻進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4～圖6所示?？梢钥闯?，較高的放電倍率對(duì)應(yīng)著較低的初始放電電阻。電池在高SOC狀態(tài)下內(nèi)阻伴隨著放電率的增加會(huì)進(jìn)行減小，電池在較低SOC下相對(duì)于高SOC狀態(tài)的內(nèi)阻變化呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜趨勢(shì)，可能受到電池內(nèi)部溫度的極大影響[11-13]。

圖4 不同放電倍率下歐姆內(nèi)阻

圖5 不同放電倍率下直流內(nèi)阻

圖6 不同放電倍率下極化內(nèi)阻

2.3 單體電池的溫度分析

對(duì)所測(cè)試以及改進(jìn)的電池以1 C倍率充滿電，以不同倍率放電到截止電壓1.5 V，電池伴隨著放電倍率的增加放電性能逐漸降低，2號(hào)電池相比于1號(hào)電池展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。2號(hào)電池表面進(jìn)行4個(gè)點(diǎn)的溫度檢測(cè)，具體的位置如圖7所示，電池4個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，從各個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)的溫度變化來(lái)看，電池表面溫度呈現(xiàn)出不均一情況，電池上升溫度與放電倍率的并不呈正比關(guān)系，而是當(dāng)電池的放電倍率到達(dá)一定值時(shí)，電池的溫度變化出現(xiàn)拐點(diǎn)[14]，如圖9所示，溫度變化出現(xiàn)在45 C。

1～4為溫度檢測(cè)點(diǎn)

圖8 電池不同溫度點(diǎn)的溫度變化

圖9 不同放電倍率下電池溫度變化

實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中對(duì)于電池在45 C在不同放電時(shí)間下進(jìn)行了紅外熱成像拍攝，不同顏色對(duì)于溫度進(jìn)行了區(qū)分，具體如圖10所示。

對(duì)電池放電過(guò)程進(jìn)行了紅外熱成像圖像記錄，對(duì)于電池溫度的變化進(jìn)行了間斷性記錄，溫度變化與圖9一致，電池伴隨著放電以及靜置的進(jìn)行溫度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，并且熱量在電池的表面進(jìn)行不斷地傳遞。

對(duì)2號(hào)電池進(jìn)行充滿電后，以不同的放電倍率進(jìn)行放電，使電池到達(dá)截止電壓1.5 V，關(guān)于不同倍率下電池的溫度隨時(shí)間變化如圖9所示。

圖9為電池在不同放電倍率下的溫度變化情況，可以看出，伴隨著電池放電倍率的逐漸增加，溫度上升值出現(xiàn)變化，并不是溫度值始終伴隨放電倍率的增加而進(jìn)行增加，當(dāng)放電倍率到達(dá)一定值時(shí)，溫度會(huì)出現(xiàn)最高點(diǎn)[15]，稱為溫度變化的拐點(diǎn)，這是由于放電性能的改變，當(dāng)電池的放電性能達(dá)到一定程度時(shí)，并不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的放電，所以釋放出的能量就會(huì)降低，當(dāng)電池不對(duì)外界進(jìn)行能量的釋放，進(jìn)而也就會(huì)在電池能量釋放結(jié)束過(guò)程后停止產(chǎn)生大量的熱量[16]。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)于電池不同倍率下的熱參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表3所示，不同放電電流下，電池的最大溫升不同。當(dāng)?shù)竭_(dá)45 C倍率時(shí)電池的溫度變化出現(xiàn)拐點(diǎn)。本次研究的單體電池質(zhì)量約為 780 g,電池的比熱容在測(cè)試的溫度范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，約為1 142 J/(kg·K)。通過(guò)對(duì)于單體電池溫升和比熱容數(shù)值的整理，可以對(duì)電池的產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率進(jìn)行計(jì)算，數(shù)值如表4所示，電池在不同倍率下的產(chǎn)熱量Q如表4所示,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中對(duì)于電池不同倍率下的放電時(shí)間進(jìn)行記錄。

表3 不同倍率下電池?zé)釁?shù)

通過(guò)對(duì)于表4數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，當(dāng)電池的放電倍率達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，產(chǎn)熱功率是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值，數(shù)值如表4所示,從電池的安全的角度進(jìn)行考慮，在對(duì)于電池進(jìn)行高倍率放電使用過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)于單體電池或者電池模組采取適當(dāng)?shù)臒峁芾泶胧?，?duì)單體電池不同放電倍率狀態(tài)下的產(chǎn)熱功率進(jìn)行測(cè)試，對(duì)電池模組熱管理和仿真計(jì)算提供一定的參考價(jià)值[17]。

表4 電池產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率

3 結(jié)論

以高倍率鈦酸鋰電池作為研究對(duì)象，圍繞改進(jìn)后電池的放電性能、溫度變化，內(nèi)阻展開(kāi)探討，得出如下結(jié)論。

(1)電池在高倍率放電狀態(tài)下，當(dāng)電池共同到達(dá)電池的同一截止電壓時(shí)，電池放出容量隨著放電倍率的提升而逐漸減少，改進(jìn)后的電池在80 C狀態(tài)下放電深度為11.8%。

(2)電池的內(nèi)阻，包括歐姆內(nèi)阻、直流內(nèi)阻、極化內(nèi)阻，不僅在電池的放電過(guò)程中與某一時(shí)刻的SOC相關(guān)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，當(dāng)電池的放電倍率進(jìn)行提升時(shí)，電池的阻值也會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中在較低SOC放電情況下，內(nèi)阻呈現(xiàn)出復(fù)雜的狀態(tài)。

(3)在電池進(jìn)行高倍率放電過(guò)程當(dāng)中，同時(shí)受到放電時(shí)間的影響，電池的溫升不是伴隨電池放電倍率的提高而不斷增加，在本研究當(dāng)中，電池的溫度拐點(diǎn)出現(xiàn)在45 C，最大溫度值為63 ℃,溫升值為38 ℃。對(duì)電池在不同倍率下的產(chǎn)熱性能進(jìn)行研究，對(duì)于電池的熱參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)單體電池溫度的測(cè)定，為后續(xù)電池模組的熱管理設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)提供了參考。

通過(guò)對(duì)于電池的內(nèi)部顆粒改進(jìn)，使得電池的放電性能進(jìn)一步的提升，這就要求在推進(jìn)鋰離子商業(yè)化進(jìn)展的同時(shí)，也要注重新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，更需要強(qiáng)化對(duì)各類(lèi)技術(shù)的合理運(yùn)用，以保障技術(shù)效率得到提升。今后亟需拓展更多的數(shù)據(jù)渠道以確保分析結(jié)果更加的合理。未來(lái)將著重解決關(guān)于鋰離子電池放電后的散熱問(wèn)題。