低溫環(huán)境對動力鋰電池放電特性影響

肖 飛，謝世坤，張庭芳,章文忠, 王 丹

低溫環(huán)境對動力鋰電池放電特性影響

肖 飛1，*謝世坤2，張庭芳1,章文忠1, 王 丹1

(1.南昌大學機電工程學院，江西，南昌 330031; 2.井岡山大學機電工程學院，江西，吉安 343009)

針對鋰離子電池在新能源汽車上的應用前景及其低溫條件下的性能限制，嘗試對鋰離子電池在低溫條件下進行放電實驗，探討其在低溫條件下的放電性能。本文利用烤燃設備對5Ah鋰離子電池充電、放電，通過示波器記錄其端電壓，觀察低溫時鋰離子電池端電壓的變化情況。實驗后，靜置24小時，測量鋰離子電池電壓恢復情況。然后對實驗數(shù)據(jù)進行整理分析，通過取點繪制曲線，分別比較0.5C、1.0C放電電流情況下和-20~20℃各溫度下鋰離子電池的放電性能。綜合分析可知，隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電性能變差；隨著放電倍率的提高，電池的放電容量逐漸減小。

鋰離子電池；低溫；放電倍率；放電性能

在室溫下，由于鋰離子電池具有長壽命、低自放電率、高比能量密度及長的貯放時間而被廣泛使用。但在低溫時，鋰離子電池容量有很大的衰減，低溫循環(huán)后，重新放置于室溫，其容量亦不能恢復到室溫時的容量[1]。由于鋰離子電池在新能源汽車上的應用前景及其低溫條件下的性能限制，國內(nèi)、外都對其低溫條件下的放電性能進行了豐富的研究。

北京大學陳繼濤[2]研究了低溫(-20 ℃)對鋰離子電池充放電性能的影響，并與常溫(25 ℃)性能作了比較。研究發(fā)現(xiàn)：在低溫條件下電池的放電性能顯著變差。0.2 C放電時，放電容量僅為常溫放電容量的77 ％，放電電壓比常溫時降低了0.5 V；1 C放電時,放電容量僅為0.2 C放電容量的4％。國外對鋰離子電池低溫性能研究主要集中在歐美、日本、韓國等發(fā)達國家。Smart[3]等人對電解液的低溫研究主要在負極上，他們普遍認為負極表面SEI膜是鋰離子傳遞過程中的主要阻力。這一假設主要建立在鋰/石墨電池的電化學交流阻抗研究的兩個現(xiàn)象基礎上：(1)表面膜阻抗Rsez大于電解液本體阻抗Re；（2）在-20℃以下的溫度范圍內(nèi)，Rsez隨溫度的變化與半電池性能惡化相一致，而在這溫度范圍內(nèi)電解液的電導率并沒有急劇地下降[4-5]。

低溫性能是鋰離子電池的重要性能指標之一[6]。本文通過實驗測試不同溫度時電池的性能，在低溫下容量有較大衰減，低溫循環(huán)后重新放置室溫其容量也難以恢復到初始容量。因此，為了更清楚地認識鋰離子電池的低溫性能，本文主要研究了鋰離子電池在低溫條件下的放電性能，分別研究溫度值在-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃時和放電電流在0.5 C和1 C時的性能。

1 實驗

1.1 實驗樣品及裝置

圖1 烤燃實驗系統(tǒng)

1 可控溫濕度實驗箱 2電池 3放電電流控制器 4負載 5記錄儀

本文以LiFePO4鋰離子電池(尺寸125 mm ×70 mm×8 mm，單塊電池額定容量為5Ah，工作電壓為2.0~3.3 V，外殼為鋁塑薄膜)為研究對象，以烤燃測試系統(tǒng)為裝置對鋰離子電池進行低溫實驗。烤燃測試系統(tǒng)如圖1所示，包括高低溫實驗箱1、電池2、放電電流控制器3、負載4和記錄儀5。實驗時，高低溫實驗箱與放電電流控制器相結(jié)合，實現(xiàn)溫度、放電電流等實驗條件的設定與控制，并利用記錄儀對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和處理。

表1 鋰離子電池低溫放電實驗方案

1.2 實驗方案

為分析LiFePO4鋰離子電池低溫性能，本文通過烤燃測試系統(tǒng)對鋰離子電池在低溫條件下進行放電實驗，分別研究鋰離子電池在-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃溫度時的放電性能和0.5 C、1 C放電電流時的放電性能。具體實驗方案如表1所示。

2 實驗過程

(1)根據(jù)放電實驗方案表1設置實驗條件；

(2)待高低溫實驗箱穩(wěn)定到實驗所設置的條件時，將靜置1天后端電壓為3.3 V的單體LiFePO4鋰離子電池放入實驗箱中；

(3)將實驗電池在高低溫實驗箱中保溫1 h，使其達到熱平衡；

(4)接通放電電路開始實驗，實驗過程中不關斷放電回路，測量電池實際工作電壓；

(5)當電池放電至最低工作端電壓2.0 V時，停止放電，并記錄放電過程中的相關數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 溫度對鋰離子電池低溫性能的影響

不同溫度時，電池分別以0.5 C和l.0 C倍率放電的性能曲線如圖2和圖3所示。從圖中可以看出，在20 ℃時，鋰離子電池表現(xiàn)良好的放電性能，當溫度下降到0 ℃時，鋰離子電池放電性能曲線出現(xiàn)較大變化，其放電量明顯降低，放電均壓下降，當溫度下降到-20 ℃時，此時鋰離子電池放電時間縮短，放電量明顯降低。0.5 C倍率放電時，在-20 ℃時，電池的放電容量僅為20 ℃溫度時的51.2 %；1.0 C倍率放電時，-20 ℃時電池的放電容量為20 ℃時的61.5 %；而且隨著溫度的降低，電壓也隨之降低，說明鋰離子電池在低溫時放電性能變差。

這是因為文獻[7]中提到隨著溫度的降低，電解液的離子導電率隨之降低，SEI膜電阻和電化學反應電阻隨之增大，導致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學極化均增大，在電池的放電曲線上就表現(xiàn)為放電均壓和放電容量均隨溫度的降低而降低。

另外，從圖2和圖3可知，與20 ℃時放電曲線相比，-20 ℃的放電曲線不但放電電壓分別下降了0.85 V和0.46 V，而且20 ℃時的放電曲線在放電后期，電壓下降得較快，出現(xiàn)相對明顯的拐點，-20 ℃的放電曲線在放電后期，電壓下降的雖然也較快，但未出現(xiàn)明顯的拐點。

圖2 0.5C不同溫度時的放電曲線

圖3 1.0C不同溫度時的放電曲線

3.2 放電電流對鋰離子低溫性能的影響

-20 ℃到20 ℃時電池在0.5 C及l(fā).0 C倍率時的放電曲線如圖4-圖8所示。從圖中可以看出，隨著放電倍率的提高，電池的放電容量逐漸減小。1.0 C放電容量降低較為明顯，在20 ℃時，1C放出的容量僅為0.5 C放出容量的60.5%。

圖4 -20℃時0.5C和1C的放電曲線

但相對20 ℃來說，-20 ℃時，1 C和0.5 C的放電容量差別就明顯小了。說明低溫條件下，高倍率放電性能惡化，因為低溫時，放電電流較小時，鋰離子脫出和嵌入的速度也較小，正負極材料顆粒內(nèi)外層濃差極化相對較小；而高倍率放電時，鋰離子在固相顆粒中低的傳輸速度限制了其嵌入和脫出，極化增大，正負極間的電勢差偏小，電池的放電電壓降低。放出相同電容量時，電池的端電壓也降低，放電曲線向下偏移。放電終止時，負極顆粒內(nèi)部剩余的鋰離子比例越高，放電越不完全，容量越低。

圖5 -10℃時0.5C和1C的放電曲線

圖6 0℃時0.5C和1C的放電曲線圖

圖7 10℃時0.5C和1C的放電曲線

圖8 20℃時0.5C和1C的放電曲線

4 結(jié)論

本文以FeLiPO4鋰離子電池為研究對象，利用烤燃測試系統(tǒng)對鋰離子電池進行放電測試，得出以下幾個結(jié)論：

(1)鋰離子電池的低溫性能主要與電池的電解液、正負極材料等密切相關；

(2)隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電性能變差，放電電壓顯著降低，放電容量明顯減??；

(3)隨著放電倍率的提高，電池的放電容量逐漸減小，1C放電容量相對0.5 C降低較為明顯；

(4)-20 ℃低溫擱置后，鋰離子電池外形沒有發(fā)生變化，循環(huán)性能良好，電化學性能基本恢復，說明鋰離子電池低溫擱置性能良好。

總之，低溫導致電池的極化更為嚴重，放電更不完全，放電容量減小，電壓降低。高倍率放電時，這種影響更為顯著。

[1] 付慶茂，文鐘晟，賴春艷，等. 第十二屆中國固態(tài)離子學學術會議[C].2004.

[2] 陳繼濤,周恒輝,倪江鋒，等.C/LiCoO2系鋰離子電池低溫充放電性能[J].電池,2004,34(2):90-92.

[3] Smart M C, Ratnakumar B V, Surampudi S, et al. Use of Organic Esters as Cosolvents in Electrolytes for Lithium-Ion Batteries with Improved Low Temperature Performance[J].Journal of the Electrochemical Society, 2002, 149(4):A361-A370.DOI:10.1149/1.1453407.

[4] Plichta E J，Behl W K．in Proceedings of the 38th Power Sources Conference[C]. Cherry Hill, NJ, 1998: 444.

[5] Zhang S S, Xu K, Allen J L, et a1. Effect of propylene carbonate on the low temperature performance of Li-ion cells[J]. J. Power Sources, 2002, 110: 137.

[6] 李青海,蒲薇華,任建國,等.鋰離子電池低溫性能的研究[C].中國儲能電池與動力電池及其關鍵材料學術研討會論文集, 2005:111-112.

[7] 謝曉華,解晶瑩,夏保佳,等.鋰離子電池低溫充放電性能的研究[J].化學世界,2008,49(10):581-583,614.

THE DISCHARGE PERFORMANCE OF LITHIUM-ION BATTERY AT LOW-TEMPERATURE ENVIRONMENT

XIAO Fei1，*XIE Shi-kun2, ZHANGTing-fang1, ZHANG Wen-zhong1, WANG Dan1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an,Jiangxi 343009, China）

Based on its application prospects on new energy vehicles and its limitation on performance at low temperature, the test on Lithium-ion battery discharge at low temperature was conducted, and discharge character at low temperature was discussed in this paper. The charge and discharge experiments of the Lithium-ion battery with the capacity of 5Ah were made by using cook-off devices. The voltage waveforms were recorded on oscilloscope by observing the change of voltage. Lithium-ion battery was set aside for about 24 hours after the test and recovery condition of voltage of the Lithium-ion battery was measured. By sorting and analyzing the experimental data and drawing curve, the discharge performance of the Lithium-ion battery between -20℃and 20℃ and the discharge current at 0.5C and 1.0C were compared. The experimental results show that the discharge performance of Lithium-ion battery becomes poor with the temperature decreasing and the discharge capacity decreases with the increasing of the discharge rate.

Lithium-ion battery; low temperature; discharge rate; discharge performance

TG146.2+63

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.05.014

1674-8085(2012)06-0061-04

2012-06-18；

2012-08-25

國家自然科學基金項目 (51165010); 江西省科技支撐計劃項目(20112BBE50002);國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃(101040319)

肖 飛(1986-)，男，湖北襄陽人，碩士生，主要從事電動汽車電池性能與安全研究(E-mail:flyshaw1986@163.com);

*謝世坤(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，碩士生導師，主要從事輕合金材料成型工藝控制的研究(E-mail:xskun@163.com);

張庭芳(1971-)，女，江西南昌人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事電動汽車電池性能與安全方面的研究(E-mail:tfzhang@ncu.edu.cn);

章文忠(1990-)，男，江西撫州人，本科生，主要從事電動汽車電池性能與安全研究(E-mail:602629216@qq.com);

王 丹(1989-)，男，江西吉安人，本科生，主要從事電動汽車電池性能與安全研究(E-mail:752692599@qq.com).