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等溫量熱儀用于鋰電池充放電產熱行為研究

  • 發布時間:2023-03-30
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前言

鋰離子電池(chi)安(an)全(quan)性(xing)和性(xing)能(neng)保持是目前(qian)行業(ye)和用戶最關心的兩大主(zhu)題。電池(chi)工作溫(wen)度是影(ying)響(xiang)鋰電池(chi)性(xing)能(neng)與(yu)安(an)全(quan)的關鍵因(yin)素,例(li)如,低(di)溫(wen)下(xia)內阻增大,電池(chi)容(rong)量下(xia)降,極端(duan)條件下(xia)電解液甚至(zhi)發生凍結導致(zhi)無(wu)法(fa)放(fang)電;高溫(wen)下(xia)同(tong)樣會引(yin)起電池(chi)性(xing)能(neng)下(xia)降,同(tong)時可能(neng)致(zhi)使電池(chi)發生熱失(shi)控,引(yin)起電池(chi)燃(ran)燒甚至(zhi)爆炸(zha)[1]。

因此,電(dian)(dian)池熱(re)管(guan)理系統(BTMS)是電(dian)(dian)池管(guan)理系統(BMS)的核(he)心功能,可通過導(dao)熱(re)介質、測控單元以及(ji)溫控設備構成閉環調節系統,使電(dian)(dian)池始終(zhong)工(gong)作(zuo)在(zai)合(he)適的溫度范圍內。對于優(you)秀的BTMS,其設計與優(you)化離(li)不(bu)開電(dian)(dian)池充(chong)放電(dian)(dian)產熱(re)等基礎數據的支(zhi)撐。

鋰電池充放電總熱(re)(re)量(liang)(Qt)主要包(bao)括以下分(fen)(fen)(fen)量(liang):1.電極(ji)反(fan)應焓(han)變(Qr);2.極(ji)化(hua)熱(re)(re)(電極(ji)極(ji)化(hua)與濃差極(ji)化(hua))(Qp);3.不可逆(ni)副反(fan)應熱(re)(re)(Qs);4.焦耳熱(re)(re)(QJ)。其(qi)中1為可逆(ni)分(fen)(fen)(fen)量(liang),2-4為不可逆(ni)分(fen)(fen)(fen)量(liang)[2]。

本文選取典型(xing)鋰電池樣品,通(tong)過等溫量(liang)熱儀(yi)研(yan)究了不同材(cai)料體系、不同溫度(du)和不同充(chong)放(fang)電倍率下的電池吸放(fang)熱行(xing)為。

實驗部分

1. 樣品準備

電池樣(yang)品:NCR(2600mAh)、NCM(3200mAh)、ICR(2600mAh)、LFR(1100mAh)四種(zhong)18650電池、LFP方(fang)形(xing)電池(35Ah)、NCM軟(ruan)包電池(50Ah)。

2. 實驗條件(jian)

實驗儀(yi)器(qi):杭州仰儀(yi)科技(ji)有(you)限公司BIC-400A等溫(wen)量熱儀(yi)、電(dian)池充(chong)放電(dian)設備;

實驗(yan)模(mo)式:等溫(wen)量熱(re)模(mo)式;

實驗方法:恒流恒壓(ya)充(chong)電、恒流放電;

等溫目標溫度與熱沉間(jian)溫差:3℃;

記錄頻率:1Hz;

加熱器通道:2路;

傳感器通道(dao):2路。

3. 實驗(yan)過(guo)程(cheng)

(1) 不同正(zheng)極(ji)材料影響:電池(chi)連接導(dao)線后置于18650電池(chi)專(zhuan)用夾具中(zhong)(zhong),設定(ding)樣品溫度(du)為22℃,以1C倍率進行恒流放(fang)電及(ji)恒壓恒流充電實驗,充放(fang)電過程中(zhong)(zhong)儀器檢測電池(chi)吸放(fang)熱(re)功率變化。

(2) 工(gong)作溫度影(ying)響(xiang):35Ah LPF方形電(dian)池連接導線后置于(yu)專用夾具中,分(fen)別(bie)設定(ding)樣品溫度為(wei)12℃、22℃和32℃,并以1C倍率(lv)進行實驗。

(3) 充放(fang)電倍率(lv)(lv)影響:50Ah NCM軟包電池連接導線后置于(yu)專用夾具中,設(she)定樣(yang)品溫(wen)度(du)為22℃,并分(fen)別以0.2C、1C倍率(lv)(lv)進行(xing)實(shi)驗(yan)。


實驗結果

1. 不同正極(ji)材料(liao)電(dian)(dian)池充放電(dian)(dian)產(chan)熱功(gong)率(lv)

圖1 不(bu)同正極(ji)材料18650電(dian)池(a)充電(dian)與(b)放(fang)電(dian)過程產熱(re)功率變(bian)化


表1 不同正極材料(liao)18650電(dian)池(chi)充放電(dian)產熱(re) 


如圖(tu)1a所示[3],充電(dian)過(guo)(guo)程(cheng)LFR電(dian)池的產(chan)熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)最(zui)低,而(er)ICR的產(chan)熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)最(zui)大。同時(shi)充電(dian)至截止電(dian)壓后,產(chan)熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)會(hui)隨充電(dian)電(dian)流迅速(su)下(xia)降;而(er)放(fang)電(dian)過(guo)(guo)程(cheng)(圖(tu)1b)四(si)種(zhong)電(dian)池產(chan)熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)單調上升,這(zhe)是因為在放(fang)電(dian)過(guo)(guo)程(cheng)中電(dian)池內阻(zu)逐漸增大。同時(shi)四(si)種(zhong)電(dian)池的產(chan)熱(re)(re)(re)功率(lv)(lv)與產(chan)熱(re)(re)(re)量大小順序(xu)與充電(dian)過(guo)(guo)程(cheng)一致。上述結果符合四(si)種(zhong)電(dian)池的容量與正極材料(liao)熱(re)(re)(re)穩定性特征(zheng)。

2. 不同(tong)溫(wen)度下(xia)電池充(chong)放電產熱功率

不同溫(wen)度(du)下(xia)方形電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的充(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)產(chan)熱(re)(re)數據如(ru)圖2所示(shi)。在較低(di)的12℃下(xia),電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)產(chan)熱(re)(re)功(gong)率最大。而在32℃下(xia),電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)產(chan)熱(re)(re)功(gong)率和產(chan)熱(re)(re)量(liang)最小(xiao),說(shuo)明適宜(yi)的工作溫(wen)度(du)可以明顯降低(di)電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)產(chan)熱(re)(re);另外,32℃下(xia)充(chong)電(dian)(dian)(dian)起始階段電(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)出現了(le)一個明顯的吸熱(re)(re)峰,電(dian)(dian)(dian)極反應熱(re)(re)表現更為顯著,可逆熱(re)(re)在總放(fang)熱(re)(re)量(liang)中的占比(bi)提高(gao)。

圖2 不同溫度下35Ah的LFP方形電池(a)充電與(b)放電過程產熱功率與產熱量變化


3. 不同充放電倍率電池充放電產熱功率
最(zui)后,利用50Ah軟包電(dian)池研究(jiu)了倍(bei)率的(de)影響。如圖3a所示,在0.2C倍(bei)率下(xia),充(chong)(chong)放(fang)(fang)電(dian)曲(qu)線都存在吸熱(re)(re)區間(jian),且兩(liang)條(tiao)曲(qu)線具有明(ming)顯的(de)對(dui)稱性,說明(ming)此時電(dian)池產熱(re)(re)以電(dian)極(ji)反(fan)應(ying)熱(re)(re)為主,可逆(ni)熱(re)(re)占(zhan)比很高;而在1C倍(bei)率下(xia),充(chong)(chong)放(fang)(fang)電(dian)產熱(re)(re)充(chong)(chong)放(fang)(fang)電(dian)曲(qu)線對(dui)稱性減弱,且未(wei)出現明(ming)顯的(de)吸熱(re)(re)峰(feng)。這是由于在提高充(chong)(chong)放(fang)(fang)電(dian)倍(bei)率情況下(xia),可逆(ni)反(fan)應(ying)熱(re)(re)基(ji)本保持不(bu)變,但(dan)極(ji)化熱(re)(re)和焦耳熱(re)(re)等不(bu)可逆(ni)熱(re)(re)顯著提高。

圖3 (a)0.2C和(b)1C充放電倍率(lv)下充電與放電曲線對比

實驗結論

利用BIC-400A等溫量熱(re)儀可以準確(que)測量不同(tong)工況下電(dian)池充(chong)放電(dian)產(chan)熱(re)功率(lv)與(yu)產(chan)熱(re)量變化(hua),幫助研(yan)發人(ren)員深入(ru)理(li)(li)解和研(yan)究電(dian)池充(chong)放電(dian)產(chan)熱(re)機理(li)(li)與(yu)特征(zheng), 并(bing)為電(dian)池熱(re)管(guan)理(li)(li)提供重要支撐性數據。


參考文獻

 [1] 王峰,李茂(mao)德.電池熱效(xiao)應分析(xi)[J].電源技(ji)術,2010,34(3):288-291.

[2] Noboru Sato. [J]. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles. Journal of Power Sources, 99 (2001):70-77.

[3] 李(li)慧芳,黃家劍,李(li)飛,高俊奎.鋰離子電(dian)池在充放電(dian)過程中(zhong)的(de)產熱研究[J].電(dian)源技術,2015,39(07):1390-1393+1481.