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聚合物鋰離子電池放電容量影響因素解析

來源:聚合物鋰離子電池?作者:聚合物鋰離子電池??發(fā)布時間:2019-08-22 18:03:43??閱讀數(shù):1131

  聚合物鋰離子電池放電容量影響因素解析。聚合物鋰離子電池的頻繁使用以及充放電循環(huán)次數(shù)的增加,電池容量將會不斷衰減,當(dāng)容量衰減至額定容量的75%~80%時,則認(rèn)為鋰離子電池進(jìn)入失效狀態(tài)。放電倍率、電池溫升、環(huán)境溫度對鋰離子電池放電容量有較大影響。

  本文對電池采用恒壓恒流充電、恒流放電的充放電準(zhǔn)則,將放電倍率、電池放電溫升、環(huán)境溫度依次作為變量和定量進(jìn)行循環(huán)實驗,分析不同正極材料下,放電倍率、電池放電溫升、環(huán)境溫度以及循環(huán)次數(shù)對鋰離子電池放電容量的影響。

一、電池基本實驗方案 

  正、負(fù)極材料不同,循環(huán)壽命差異較大,影響電池的容量特性。磷酸鐵鋰(LFP)和鎳鈷錳三元材料(NMC)以其獨(dú)特優(yōu)勢廣泛用作鋰離子二次電池的正極材料。由表1可知,NMC電池的額定容量、標(biāo)稱電壓、放電倍率值都高于LFP電池。

LFP電池和NMC電池基本參數(shù)

  將LFP和NMC的鋰離子電池按照一定的恒流恒壓充電、恒流放電規(guī)則進(jìn)行充放電,在充放電過程中記錄充放電截止電壓、放電倍率、電池溫升、實驗溫度、電池容量的變化情況。

二、放電倍率對放電容量的影響

  固定溫度和充放電規(guī)則,將LFP電池和NMC電池按照不同放電倍率進(jìn)行恒流放電。調(diào)整溫度分別為:35、25、10、5、-5、-15℃。

  由圖1可知,相同溫度下,通過增加放電倍率,LFP電池放電容量整體呈現(xiàn)衰減趨勢。相同放電倍率下,低溫變化對LFP電池放電容量影響較大。

LFP電池放電容量隨放電倍率的變化曲線

  當(dāng)溫度降到0 ℃以下時,放電容量衰減嚴(yán)重并出現(xiàn)容量不可逆現(xiàn)象。值得說明的是,LFP 電池在低溫和大放電倍率的雙重影響下加重放電容量的衰減。相比LFP電池,NMC電池對溫度更為敏感,放電容量隨環(huán)境溫度、放電倍率變化顯著。

  由圖2可知,相同溫度下,NMC電池放電容量整體呈現(xiàn)先衰減后回升的趨勢。相同放電倍率下,溫度越低則放電容量越少。

NMC電池放電容量隨放電倍率的變化曲線

  隨著放電倍率的升高,鋰離子電池持續(xù)出現(xiàn)放電容量衰減現(xiàn)象,究其原因是由于極化嚴(yán)重,放電電壓提前減小到放電截止電壓,即放電時間縮短, 放電不充分,負(fù)極Li+ 沒有脫嵌完全。電池放電倍率在1.5 ~3.0時,放電容量開始顯現(xiàn)不同程度的回升跡象。由于反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,電池本身的溫度會隨放電倍率的增加而顯著升高,Li+熱運(yùn)動能力加強(qiáng)、擴(kuò)散速度加快,使得 Li+脫嵌速度加快,放電容量回升。由此得出,大放電倍率和電池本身溫升的雙重影響導(dǎo)致了電池的不單調(diào)現(xiàn)象。

三、電池溫升對放電容量的影響

  NMC電池在30℃下分別進(jìn)行2.0 、2.5 、3.0 、3.5 、4.0 、4.5C放電實驗,得出的放電容量與鋰離子電池溫升變化關(guān)系曲線如圖3所示。

不同放電倍率下NMC電池溫度隨放電容量的變化

  由圖3可知,相同放電容量下,放電倍率越高,溫升變化越顯著。在相同放電倍率下對恒流放電過程的三個時期進(jìn)行分析可知,溫度升高主要在放電初期和后期。

四、環(huán)境溫度對放電容量的影響

  鋰離子電池的最佳工作溫度是25~40 ℃。由表 2、表3對比可看出,當(dāng)溫度低于5℃時,兩類電池放電迅速、放電容量顯著減少。

LFP電池在0.7C放電倍率下的參數(shù)變化
NMC電池在3C放電倍率下的參數(shù)變化

  低溫實驗后恢復(fù)高溫,相同溫度下,LFP電池放電容量減137.1mAh,NMC電池減少47.8mAh,但溫升與放電時間并無改變??梢奓FP熱穩(wěn)定性良好,僅在低溫下表現(xiàn)出較差的耐受性,電池容量出現(xiàn)不可逆的衰減;而NMC電池對溫度變化敏感。

五、循環(huán)次數(shù)對放電容量的影響

  圖4為鋰離子電池容量衰減曲線示意圖,將放電容量在0.8Q記為電池失效點(diǎn)。隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加,放電容量開始呈現(xiàn)衰減。

鋰離子電池容量衰減曲線

  將1600mAh的LFP電池以充電0.5C放電0.5C進(jìn)行充放電循環(huán)實驗,共進(jìn)行600次循環(huán)實驗,以電池容量的80%作為電池失效判別標(biāo)準(zhǔn)。以100 為間隔次數(shù)對放電容量及容量衰減相對誤差的百分比進(jìn)行分析,如圖5所示。

  將2000mAh的NMC電池以充電1.0C放電1.0C進(jìn)行充放電循環(huán)實驗,以電池容量的80%作為壽命截止時的電池容量。取前700 次,以100為間隔次數(shù)對放電容量以及容量衰減相對誤差的百分比進(jìn)行分析,如圖6所示。

  LFP電池和NMC電池在循環(huán)次數(shù)為0時的容量均為額定容量,但通常實際容量小于額定容量,故在第一個100次循環(huán)后,放電容量衰減嚴(yán)重。LFP電池循環(huán)壽命長,理論壽命是1 000 次;NMC電池理論壽命是300 次。經(jīng)歷相同的循環(huán)次數(shù),NMC電池容量衰減速度較快;當(dāng)循環(huán)次數(shù)為600 時,NMC電池容量衰減接近失效閾值位置。

六、結(jié)論

  通過對鋰離子電池進(jìn)行充放電實驗,以正極材料、放電倍率、電池溫升、環(huán)境溫度和循環(huán)次數(shù)五個參數(shù)作為變量,分析了容量相關(guān)特性與不同影響因素之間的關(guān)系,得出以下結(jié)論:

 ?、僭陔姵仡~定溫度范圍內(nèi),適當(dāng)?shù)母邷貙i+的脫嵌和嵌入有促進(jìn)作用。尤其是對放電容量來說,放電倍率越大,生熱速率越大,鋰離子電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)越明顯。

  ②LFP電池在充放電過程中對高溫、放電倍率表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性;對低溫有較差的耐受性,放電容量衰減嚴(yán)重,升溫后不可恢復(fù)。

  ③在相同的充放電循環(huán)次數(shù)下,LFP電池循環(huán)壽命長,NMC電池容量更快衰減至額定容量的80%。

 ?、芘cLFP電池相比,NMC電池放電容量對溫度更為敏感,并且在大放電倍率下,放電容量出現(xiàn)不單調(diào)性且溫升變化顯著。

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