鮑劍明,龔明光,劉 宇
( 1.上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司,上海 201815; 2.上海鈉硫儲能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,上海 201815 )
溫度和放電深度對鈉硫電池歐姆內(nèi)阻的影響
鮑劍明1,2,龔明光1,2,劉 宇1,2
( 1.上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司,上海 201815; 2.上海鈉硫儲能系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,上海 201815 )
鈉硫電池的歐姆內(nèi)阻與溫度和放電深度(DOD)密切相關(guān)。通過不同溫度下的脈沖放電實驗,測量不同DOD時鈉硫電池的歐姆內(nèi)阻。除DOD為100%外,在某一固定DOD下,歐姆內(nèi)阻隨著溫度的降低而增大。在某一固定溫度下,DOD為0~7.14%時,隨著DOD增加,β″-氧化鋁陶瓷管外表面高阻抗的硫單質(zhì)層被消耗,造成歐姆內(nèi)阻逐漸減??;DOD為7.14%~85.70%時,歐姆內(nèi)阻基本恒定;DOD為85.70%~100%時,隨著DOD增加,電池負(fù)極有效反應(yīng)面積減小,歐姆內(nèi)阻急劇增大。DOD為7.14%~57.14%時,鈉硫電池的開路電壓為2.065~2.079 V,具有良好的功率特性。
鈉硫電池; 歐姆內(nèi)阻; 溫度; 放電深度(DOD)
歐姆內(nèi)阻是評價鈉硫電池性能的重要指標(biāo)之一,鈉硫電池的功率特性和壽命[1]都與歐姆內(nèi)阻相關(guān)。鈉硫電池的歐姆內(nèi)阻由電極材料、β″-氧化鋁電解質(zhì)隔膜及電池各部分零件的接觸電阻組成[2],除了受電池結(jié)構(gòu)、電極材料和制造工藝等因素影響外,還與溫度和放電深度(DOD)密切相關(guān)。
目前,對鋰離子電池、鉛酸電池內(nèi)阻與溫度和DOD關(guān)系的研究較多[3-4],對鈉硫電池的相關(guān)研究很少。在不同溫度和DOD狀態(tài)下,鈉硫電池的歐姆內(nèi)阻不同,只有全面、深入地研究溫度和DOD對歐姆內(nèi)阻影響,才能更好地對鈉硫電池進行一致性篩選、性能評價和健康狀態(tài)判斷。
本文作者研究分析了鈉硫電池歐姆內(nèi)阻與溫度和DOD的關(guān)系以及影響,討論了功率特性。
選用1只額定容量為441 Ah的AL-S1鈉硫電池單體(上海產(chǎn))。脈沖放電測試在BTS60100C2型電池測試系統(tǒng)(寧波產(chǎn))上進行,電池測試爐為HL-3.0-6型單體測試爐(江蘇產(chǎn))。首先調(diào)整電池DOD為0,即以45.0 A恒流放電至截止電壓1.700 V,然后以45.0 A恒流充電至2.500 V,轉(zhuǎn)恒壓充電至電流為4.5 A時,結(jié)束充電,視電池DOD為0。在280~360 ℃范圍內(nèi),每隔10 ℃進行1次脈沖放電,電流為45.0 A,放電時間為2 s;接著每次以45.0 A電流恒流放電31.5 Ah,分別調(diào)整電池的DOD狀態(tài),重復(fù)上述脈沖放電實驗,得到不同溫度和不同DOD下的脈沖放電數(shù)據(jù)。280~360 ℃范圍內(nèi)的脈沖放電測試,會導(dǎo)致電池DOD略微偏離設(shè)定DOD,偏離量在0.05%左右。
在某一固定溫度和某一固定DOD下進行脈沖放電實驗,通過脈沖電流加載初始階段的電池電壓變化來計算歐姆內(nèi)阻(R),如式(1)所示。
(1)
式(1)中:△U為脈沖電流加載初始階段的電池電壓變化;I為脈沖電流;U為脈沖電流加載前的電池開路電壓;U′為脈沖電流加載后的電池端電壓。
2.1 溫度對歐姆內(nèi)阻的影響
不同溫度下歐姆內(nèi)阻隨DOD的變化見圖1。
圖1 不同溫度下歐姆內(nèi)阻隨DOD的變化Fig.1 Changes of ohmic internal resistance at different temperature with DOD
從圖1可知,當(dāng)電池DOD為0時,隨著溫度從360 ℃降低至280 ℃,歐姆內(nèi)阻從3.36 mΩ增大至5.31 mΩ;當(dāng)DOD為0~92.84%時,歐姆內(nèi)阻隨溫度降低而增大的幅度基本相同;當(dāng)DOD為92.84%~100%時,歐姆內(nèi)阻隨溫度降低而增大的幅度不同。
為了更直觀地說明溫度對歐姆內(nèi)阻的影響,用式(2)對不同DOD下歐姆內(nèi)阻隨溫度的變化曲線進行擬合。
(2)
式(2)中:A、B和C為常數(shù),t為溫度。
不同DOD下,歐姆內(nèi)阻隨溫度的變化及相應(yīng)的擬合曲線見圖2。
圖2 不同DOD下歐姆內(nèi)阻隨溫度的變化及相應(yīng)的擬合曲線Fig.2 Changes of ohmic internal resistance at different DOD with temperature and the corresponding fitting curves
從圖2可知,除DOD為100%之外,歐姆內(nèi)阻隨溫度降低而逐漸增大。當(dāng)DOD為7.14%~85.70%時,在同一溫度下,歐姆內(nèi)阻基本不隨DOD變化而變化。
2.2 DOD對歐姆內(nèi)阻的影響
從圖1可知,溫度為280 ℃,當(dāng)DOD為0~7.14%時,歐姆內(nèi)阻隨DOD的增加而逐漸減小,主要是因為鈉硫電池充滿電后,在β″-氧化鋁陶瓷管外表面附著了一層高阻抗的硫單質(zhì)層[5],隨著DOD的增加,該高阻抗的硫單質(zhì)層被逐漸消耗;當(dāng)DOD為7.14%~85.70%時,歐姆內(nèi)阻基本恒定;當(dāng)DOD為85.70%~100%時,歐姆內(nèi)阻隨DOD的增加而急劇增大,原因是隨著DOD增加,電池負(fù)極有效反應(yīng)面積減小,導(dǎo)致歐姆內(nèi)阻急劇增大。此外,在280~360 ℃溫度范圍內(nèi),歐姆內(nèi)阻的變化趨勢與溫度280 ℃時基本相同,因此,鈉硫電池的最佳DOD范圍是7.14%~85.70%。
2.3 功率特性與歐姆內(nèi)阻的關(guān)系
鈉硫電池的最大放電功率與開路電壓的平方成正比,與歐姆內(nèi)阻成反比,可由式(3)[6]計算得到。
(3)
式(3)中:Pmax為最大放電功率。
不同溫度下開路電壓隨DOD的變化見圖3(a)。
從圖3(a)可知,當(dāng)DOD為0~57.14%時,開路電壓為2.065~2.079 V,此電壓范圍為鈉硫電池的放電電壓平臺。陳曉紅等[7]對鈉硫單體電池的研究也表明:當(dāng)DOD為0~60.00%時,放電電壓曲線有一個明顯的放電平臺。由DOD對歐姆內(nèi)阻影響的分析可知,當(dāng)DOD為7.14%~85.70%時,在同一溫度下,歐姆內(nèi)阻基本不隨DOD的變化而變化。綜合考慮鈉硫電池開路電壓與歐姆內(nèi)阻的特性,由式(3)可知,當(dāng)DOD為7.14%~57.14%時,鈉硫電池具有最佳的功率特性[見圖3(b)]。
圖3 不同溫度下開路電壓和最大放電功率隨DOD的變化
Fig.3 Changes of open circuit voltage and maximum discharge power at different temperatures with DOD
本文作者分析了溫度和DOD對鈉硫電池歐姆內(nèi)阻的影響。
除DOD為100%外,在某一固定DOD下,歐姆內(nèi)阻隨溫度的降低而逐漸增大。此外,在某一固定溫度下,當(dāng)DOD為7.14%~85.70%時,歐姆內(nèi)阻基本恒定。當(dāng)DOD為7.14%~57.14%時,鈉硫電池的開路電壓為2.065~2.079 V,此時鈉硫電池具有最佳的功率特性。
[1] 呂家云,蔣全勝,秦磊.鈉硫電池性能研究及應(yīng)用 [J].巢湖學(xué)院學(xué)報,2009,11(6):64-66.
[2] 林久,宋樹豐,陰宛珊.儲能鈉電池的容量設(shè)計 [J].東方電氣評論,2012,26(3):6-9.
[3] 李哲,韓雪冰,盧蘭光,etal.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性 [J].機械工程學(xué)報,2011,47(18):115-120.
[4] 桂長清.溫度對LiFePO4鋰離子動力電池的影響 [J].電池,2011,41(2):88-91.
[5] 楊建華,曹佳弟,周懿.30 Ah實用型單體鈉硫電池的研制 [J].電源技術(shù),1997,21(1):8-10.
[6] SUDWORTH J L,TILLEY A R.The Sodium Sulfur Battery [M].London:Chapman and Hall Ltd., 1985.326-328.
[7] 陳曉紅,張建,辛紅星,etal.鈉硫單體電池的循環(huán)特性測試研究 [J].電源技術(shù),2011,35(4):403-405.
Influence of temperature and depth of discharge on ohmic internal resistance of sodium-sulfur battery
BAO Jian-ming1,2,GONG Ming-guang1,2,LIU Yu1,2
(1.ShanghaiElectricSodium-SulfurBatteriesEnergyStorageTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201815,China;2.ShanghaiEngineeringResearchCenterofSodium-SulfurEnergyStorageSystem,Shanghai201815,China)
The ohmic internal resistance of sodium-sulfur battery was closely related with temperature and depth of discharge(DOD).The ohmic internal resistances of sodium-sulfur battery with different DOD were measured by pulse discharge test at different temperatures.At a fixed DOD,the ohmic internal resistance increased with the decreasing of temperature,except 100% DOD.At a fixed temperature,when DOD was in 0-7.14%,the ohmic internal resistance reduced when DOD increased,owing to the consuming of high impedance sulfur layer on the outer surface of β″-Al2O3ceramic tube.When DOD was in 7.14%-85.70%,the ohmic internal resistance was basically constant.When DOD was in 85.70%-100%,the ohmic internal resistance increased sharply while DOD increased,which was causing by the decrease of effective reaction area of negative electrode.When DOD was in 7.14%-57.14%,the sodium-sulfur battery had fine power characteristic with the open circuit voltage of 2.065-2.079 V.
sodium-sulfur battery; ohmic internal resistance; temperature; depth of discharge(DOD)
鮑劍明(1986-),男,福建人,上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司工程師,研究方向:電化學(xué)催化材料,儲能用二次電池,本文聯(lián)系人;
上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研技術(shù)項目(15DZ2283101)
10.19535/j.1001-1579.2017.02.002
TM911.3
A
1001-1579(2017)02-0069-03
2016-10-29
龔明光(1983-),男,江蘇人,上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司工程師,研究方向:儲能用二次電池。
劉 宇(1973-),男,山東人,上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司高級工程師,研究方向:電化學(xué)及儲能材料。