摘要:三元鋰離子電池作為目前電動汽車的主要能源電池,其安全性問題受到廣泛關(guān)注。采用負極為硅碳的新型18650三元鋰離子電池為研究對象,選取同一批次一致性較好的電池進行不同截止電壓(44 V、45 V、46 V、47 V)的過充實驗。實驗分析結(jié)果表明:不同截止電壓過充后實驗電池的容量都有所減少,當過充循環(huán)5次后電池的容量衰減進一步加大。在不同截止電壓的過充中,44 V與45 V單次與多次過充對其電池的最高溫度和溫升速率影響不大。相較于44 V與45 V過充的電池,46 V與47 V過充的電池最高溫度更高、溫升速率更大。當電池過充循環(huán)5次后,46 V與47 V過充的電池相較于第一次的過充,第5次過充電池的最高溫度更高、溫升速率更大。因此鋰離子電池在過高的截止電壓下充電時會對電池的容量和熱安全性產(chǎn)生影響。
關(guān)鍵詞:鋰離子電池;截止電壓;過充;溫度
中圖分類號:U461 收稿日期:2024-05-20
DOI:1019999/jcnki1004-0226202407021
1 前言
鋰離子電池由于能量密度高、無記憶效應(yīng)和使用壽命長等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于電動汽車、混合動力汽車和儲能電網(wǎng)等領(lǐng)域[1]。電動汽車的電池在使用過程中會由于BMS損壞、電池一致性差等原因出現(xiàn)過充現(xiàn)象,該現(xiàn)象會加速電池容量衰減和電池溫度過高[2]。當前的研究主要集中在電池負極材料為石墨的過充實驗,缺少負極材料為硅碳的鋰離子電池不同截止電壓過充實驗研究。
筆者基于負極為硅碳的18650三元鋰離子電池為研究對象,相較于負極材料為石墨的三元鋰離子電池,負極為硅碳的三元鋰離子電池具有更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命和能夠承受高電流放電的優(yōu)點。該電池應(yīng)用潛力較大,因此有必要研究這類電池在使用中的熱特性。通過對鋰離子電池進行不同截止電壓下的過充,研究鋰離子電池在不同截止電壓過充的溫度、溫升速率和容量的變化[3]。
2 實驗
21 實驗對象及設(shè)備
實驗以三元18650動力電池為研究對象,正極材料為NCM,負極材料為硅碳,標稱容量為3 350 mA·h,標準充電倍率為05 C,標準放電倍率為02 C。標稱電壓36 V,正常工作電壓范圍25~42 V。實驗所需的設(shè)備為深圳新威公司的BTS型充放電測試儀、巨孚儀器有限公司的ETH-1000-50-CP-AR3型溫濕度環(huán)境箱、K型熱電偶和多路溫度記錄儀,對電池的電壓、電流和溫度進行采集。
22 最大可用容量測試
為保證實驗對象的一致性,選取同批次生產(chǎn)的電池作為實驗樣品并進行最大可用容量測試。具體實驗步驟如下:將待測電池在25°的恒溫恒濕試驗箱中擱置2 h;對電池采用標準放電方式,即以02 C恒流放電至25 V,擱置1 h;對電池采用標準充電方法,即以05 C恒流充電至42 V后,以42 V恒壓充電至電流為005 C,擱置1 h;對100%SOC的電池采用標準放電方法放電至0%SOC,擱置1 h。如表1所示,隨機選取的5個電池充放電容量均保持在一個較為穩(wěn)定的水平,其誤差在1%以內(nèi)。據(jù)此,認為電池之間的個體差異對本研究的影響可以忽略不計。
23 電池截止電壓過充實驗方案
本文將分別以44 V、45 V、46 V、47 V四種不同的充電截止電壓對鋰離子電池進行恒流恒壓過充電實驗。此實驗用來探究鋰離子電池5次不同程度過充電后的電壓、容量及溫度的變化特點。
實驗設(shè)計:將0%SOC的待測電池樣品在25 ℃恒溫恒濕箱放置1 h;對0%SOC的電池以1 C倍率進行恒流恒壓充電,當充電電壓達到設(shè)定的截止電壓值(44 V、45 V、46 V、47 V)轉(zhuǎn)為恒壓充電直至電流減少為005 C停止,隨后擱置1 h,擱置結(jié)束后以1 C的倍率恒流放電至截止電壓25 V停止,擱置1 h結(jié)束實驗。該實驗總共循環(huán)5次。
3 結(jié)果與討論
31 過充后對電池容量的影響
根據(jù)之前的實驗設(shè)計,進行完5次不同截止電壓過充的實驗后,再對不同截止電壓過充的電池進行最大可用容量測試,以便獲得單次和5次過充后容量變化情況。具體所得容量如表3所示。
從表3數(shù)據(jù)可以看出,當電池經(jīng)過第一次過充后容量都有所降低,經(jīng)過44 V與45 V過充后的電池容量衰減分別為196 mA·h、19 mA·h,容量衰減較小。經(jīng)過46 V、47 V過充后的電池容量衰減為342 mA·h、645 mA·h,其中47 V截止電壓過充的電池出現(xiàn)了較明顯的容量衰減[4]。當電池經(jīng)過5次過充后相較于第一次過充容量衰減較為明顯,隨著截止電壓的增加,容量降低的程度更大。過充截止電壓為46 V與47 V,容量衰減更為明顯,其中過充循環(huán)5次后,46 V和47 V截止電壓過充的電池容量分別降低了85%、13%。
32 單次截止電壓過充后電池溫度和電壓的變化
本節(jié)將進行不同截止電壓單次過充后三元鋰電池的熱特性實驗分析。在進行不同截止電壓的過充實驗中,所有實驗電池均沒有發(fā)生明顯的外觀變化,電池破裂排氣以及電池熱失控現(xiàn)象也均未發(fā)生。圖1為在44 V、45 V、46 V和47 V截止電壓過充下,三元鋰電池溫度和電壓隨時間的變化曲線。
從圖1可知,對電池進行不同截止電壓過充時,過充電池充電電壓的變化既有相似性也有差異性。電壓變化的相似性表現(xiàn)在電壓的變化曲線大致相同,在充電初期電壓會急速上升,再經(jīng)歷較長時間的緩慢上升,最后達到截止電壓后電壓保持不變。電壓變化的差異性表現(xiàn)在當電壓達到42 V左右以后,隨著截止電壓的增大,其電壓曲線也出現(xiàn)不同速率的增幅,其中可以看到,44 V截止電壓過充的電池此時的電壓增長速率最慢,47 V截止電壓過充的電池此時的電壓增長速率最快。
從圖1還可知,44 V和45 V截止電壓過充的電池溫升曲線大致相似,在充電的前期溫度都從25 ℃急速上升至29 ℃;44 V過充的電池溫度略有下降然后緩慢升至30 ℃左右,45 V過充的電池溫度趨于平穩(wěn)并在電池達到截止電壓左右溫度達到最大值298 ℃;達到截止電壓恒壓充電階段電池溫度都迅速下降。46 V和47 V截止電壓過充的電池溫升曲線大致相似,其中46 V過充的電池在充電前期溫度從25 ℃迅速上升至29 ℃左右,稍微下降后溫度長時間趨于平穩(wěn),當充電電壓達到截止電壓46 V后電池溫度先迅速上升然后下降,其中最高溫度為327 ℃;47 V過充的電池在充電前期溫度從25 ℃迅速上升至28 ℃左右,然后溫度長時間趨于平穩(wěn)在29 ℃左右,當充電電壓達到截止電壓47 V后電池溫度先迅速上升然后下降,其中最高溫度為467 ℃。電池在不同截止電壓過充的最大溫升速率分別為07 ℃/min、08 ℃/min、14 ℃/min和7 ℃/min[5]。
3.3 第5次截止電壓過充后電池溫度和電壓的變化
為了繼續(xù)研究過充電對電池產(chǎn)生的影響,在進行不同截止電壓5次過充后,研究第5次截止電壓過充中三元鋰電池的電壓、溫度和溫升速率。在進行不同截止電壓的過充實驗中,所有實驗電池均沒有發(fā)生明顯的外觀變化,電池破裂排氣以及電池熱失控現(xiàn)象也均未發(fā)生。圖2為在44 V、45 V、46 V和47 V第5次截止電壓過充下,三元鋰電池溫度和電壓隨時間的變化曲線。
圖2中對電池進行4次循環(huán)過充后,研究第5次截止電壓過充中電池溫度和電壓隨時間的變化曲線。結(jié)合單次過充后電池溫度的變化曲線,從圖2中可知,第5次44 V和45 V截止電壓過充的電池溫度變化曲線相einEe+d4j7WEiNOuA2LtrA==似。第5次44 V和45 V截止電壓過充時的最高溫度分別為301 ℃、302 ℃,相較于單次過充的最高溫度298 ℃、30 ℃,得出44 V和45 V截止電壓多次過充對溫度影響很小。第5次46 V截止電壓過充前期溫度迅速增加到28 ℃左右,然后溫度長時間趨于平穩(wěn);當充電電壓達到截止電壓46 V時,溫度急速上升達到最高溫度49 ℃后下降;相較于單次過充的最高溫度327 ℃,經(jīng)過5次過充的電池最高溫度明顯升高[6]。第5次47 V截止電壓過充前期溫度迅速增加到28 ℃左右,然后溫度長時間趨于平穩(wěn);當充電電壓達到46 V時,電壓略微下降后升至47 V然后恒壓充電,期間溫度急速上升至最高溫度629 ℃后下降。電池在第5次不同截止電壓過充的最大溫升速率分別為08 ℃/min、10 ℃/min、61 ℃/min和86 ℃/min。通過比較得出44 V、45 V截止電壓過充后對電池溫度和溫升速率影響很小,而46 V、47 V截止電壓多次過充后電池的最高溫度和溫升速率明顯增大,會導(dǎo)致電池的危險性上升。
4 結(jié)語
筆者對負極為硅碳的三元18650動力電池進行了5次不同截止電壓的過充電測試,研究這類電池在使用中的熱特性。結(jié)果表明,不同截止電壓過充后電池的容量都有所衰減,經(jīng)過5次過充后的電池相對于單次過充的電池容量衰減進一步增大,其中46 V與47 V過充的電池容量衰減最為明顯。44 V與45 V截止電壓單次與多次過充時溫度變化與溫升速率差異很小,因此推斷該電池在截止電壓小于45 V的電壓下充電不會影響電池的安全性。46 V與47 V截止電壓過充相較于44 V與45 V過充最高溫度明顯增大,溫升速率也更高,其中多次過充也會導(dǎo)致其最高溫度進一步上升,嚴重影響電池的安全性?;诒緦嶒灲Y(jié)果,對于負極為硅碳的三元18650電池的電力系統(tǒng),建議其電池管理系統(tǒng)將截止電壓設(shè)定于45 V以下[7]。
參考文獻:
[1]王懷銣磷酸鐵鋰儲能電池過充熱失控特性研究[D]鄭州:鄭州大學(xué),2021
[2]張建華,張明杰,裘呂超,等不同過充倍率條件下三元電池熱失控特性研究[J]電源技術(shù),2022,46(11):1245-1248
[3]張守芹退役鋰離子動力電池熱性能及熱安全實驗研究[D]北京:北京工業(yè)大學(xué),2024
[4]王銀飛,楊錚鑫,杜進橋,等微過充條件下鋰離子電池的老化機理[J]電池,2023,53(5):499-503
[5]鞏譯澤,謝松,黎桂樹過充截止電壓對NCM523電池熱安全的影響[J]電池,2022,52(4):428-432
[6]張青松,趙啟臣商用鈷酸鋰電池過充電安全性研究[J]電源技術(shù),2021,45(3):286-288+316
[7]蔡天鏖新能源汽車動力電池的熱行為及熱管理的優(yōu)化研究[D]南京:南京郵電大學(xué),2023
作者簡介:
姜仁軍,男,1999年生,碩士研究生,研究方向為鋰離子電池熱安全性。
郭淑清(通訊作者),女,1971年生,副教授,研究方向為汽車電子控制。