長期浮充對方型鈦酸鋰電池性能的影響分析

劉鵬 趙程 張靜

摘 ? 要：軌道交通選用蓄電池作為備用電源，要求蓄電池具備重量輕，安全性高，工作溫度范圍廣，壽命長等特點。方型鈦酸鋰電池因其安全性高，壽命長，功率特性及低溫性能好，越來越受到動車組輔助電池系統(tǒng)的青睞。本文以方型鈦酸鋰電池為研究對象，評估了長期浮充對于方型鈦酸鋰電池性能的影響。測試發(fā)現(xiàn)，常溫浮充60d及高溫浮充7d、14d后電池?zé)o產(chǎn)氣，容量無衰減，電池DCIR有所上升，對電池大倍率充電性能有所影響，倍率放電及循環(huán)性能均無明顯影響。

關(guān)鍵詞：浮充 ?方型 ?鈦酸鋰電池

中圖分類號：TM91 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0078-02

隨著動車組的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)蓄電池組如鉛酸、鎳氫、鎳鎘電池越來越不能滿足當(dāng)前高速列車對高效運營、能量密度及安全性的需求，石墨基鋰離子電池作為較為理想的動力源同樣也存在低溫充電安全性差的問題。因此，鈦酸鋰電池憑借安全性高、低溫性能好，循環(huán)壽命長等優(yōu)勢受到了相關(guān)研究人員的密切關(guān)注。

1 ?實驗部分

1.1 電池

以2714897方型電池為研究對象，將正負(fù)極片通過卷繞形成極組，電池經(jīng)過入殼、裝配、烘干、注液，化成、老化等主要工序后完成制作。

1.2 電池測試

將成品電池分別做常溫60d，高溫55℃7d以及高溫55℃14d浮充。對比測試前后電池的基礎(chǔ)性能、充放電曲線、DCIR、倍率性能及循環(huán)性能的變化。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)性能

電池經(jīng)過常溫浮充60d、55℃浮充7d、55℃浮充14d后，電池厚度變化率分別是-1.2%、-1.3%以及-1.0%，殘余容量百分比分別為98.96%、99.12%以及99.85%。浮充后電池?zé)o明顯產(chǎn)氣且容量無衰減得益于方型鈦酸鋰電池特殊的化成工藝，使得負(fù)極表面形成鈍化膜，限制了電解液與鈦酸鋰負(fù)極的進一步接觸，起到了抑制產(chǎn)氣的作用，同時減少了不可逆容量的產(chǎn)生[2]。

2.2 充放電曲線

圖1為不同浮充條件下充放電曲線對比圖，通過對比發(fā)現(xiàn)，電池在初始狀態(tài)的充放電曲線與不同浮充條件下的充放電曲線無顯著差別，驗證了電池在長期浮充條件下的穩(wěn)定性。

2.3 DCIR數(shù)據(jù)對比

電池經(jīng)過常溫浮充60d、55℃浮充7d、55℃浮充14d后，電池50%SOC充電DCIR增量分別為10.3%、13.7%、13.6%，這是因為電池在浮充過程中，鈦酸鋰負(fù)極與電解液不斷反應(yīng)，SEI膜增厚，負(fù)極片表面電化學(xué)阻抗增加[3]，因此充電直流內(nèi)阻均有所上升;50%SOC放電DCIR增量分別為6.6%、10.3%、10.8%，放電DCIR變化較小的原因是滿電狀態(tài)下的鈦酸鋰負(fù)極具有極高的電子電導(dǎo)率及離子電導(dǎo)率，負(fù)極鈦酸鋰的界面阻抗較小，因此對電池放電DCIR影響較小。

2.4 倍率性能對比

電池經(jīng)過常溫浮充60d、55℃浮充7d、55℃浮充14d后，10C倍率放電容量百分比分別為99.9%、101.16%以及100.82%，與電池初始狀態(tài)下10C倍率放電特性保持一致，因此浮充對倍率放電影響甚小;而對浮充后電池以5C倍率充電12min后，三支電池充電容量百分比分別為89.0%、93.3%、92.7%，與初始狀態(tài)下5C倍率充電有一定差距。這是因為長時間浮充鈦酸鋰負(fù)極與電解液發(fā)生副反應(yīng)導(dǎo)致界面阻抗增加[4]，因此大電流充電時負(fù)極表面電化學(xué)極化更為明顯，充電性能有所下降。

2.5 循環(huán)性能

如圖2所示，浮充后電池經(jīng)過1000次3C/3C循環(huán)后，容量依舊沒有衰減，電池?zé)o鼓脹現(xiàn)象。晝夜溫差會影響三元材料的克容量發(fā)揮，溫度越高電池可用容量也就越高[5]，因此循環(huán)過程中出現(xiàn)了較明顯的容量波動。浮充后容量并沒有出現(xiàn)明顯的衰減，得益于方型鈦酸鋰電池特殊的化成工藝，使得負(fù)極表面形成鈍化膜，限制了電解液與鈦酸鋰負(fù)極的進一步接觸，起到了抑制產(chǎn)氣的作用，同時減少了不可逆容量的產(chǎn)生，提高了電池循環(huán)壽命。

3 ?結(jié)語

對方型鈦酸鋰電池分別進行常溫浮充60d，高溫55℃浮充7d，高溫55℃浮充14d測試，通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，浮充后電池?zé)o明顯產(chǎn)氣，容量無損失，浮充前后充放電曲線無明顯變化，但由于浮充過程中鈦酸鋰負(fù)極界面阻抗有一定增加，因此充電直流內(nèi)阻有所增加，影響了電池大倍率充電特性。浮充對電池循環(huán)性能無明顯影響，得益于方型鈦酸鋰電池特殊的化成工藝，使得負(fù)極表面形成鈍化膜，限制了電解液與鈦酸鋰負(fù)極的進一步接觸，起到了抑制產(chǎn)氣的作用，同時減少了不可逆容量的產(chǎn)生，提高了電池循環(huán)壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇劍，李紅兵.鈦酸鋰電池在動車組上的應(yīng)用研究[J].機車電傳動，2011（4）：38-40.

[2] Armand. Building better batteries. Nature， 2008，16502.

[3] 李懿洋.鋰離子電池低溫充放電循環(huán)與高溫浮充下的失效機理研究[J].山東化工，2017（5）：93-94.

[4] Palacin MR， Guibert A. Why do batteries fail？ Science， 2016， 351（6273）：1253292.

[5] 吳燕，周云山，李泉. 三元鋰電池SOC電量準(zhǔn)確估計仿真研究[J].計算機仿真2017（12）：34.