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技術(shù)分享｜等溫量熱儀用于鋰電池充放電產(chǎn)熱行為研究

來源：時(shí)間：2024-07-12 13:40:22 瀏覽：1552次

#1摘要

新品登場，為您提供精確、高效、安全的鋰電池?zé)釡y試體驗(yàn)

本文利用BIC-400A電池等溫量熱儀測量鋰離子電池充放電過程中產(chǎn)熱行為，并研究了不同正極材料、工作溫度和充放電倍率對電池產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率的影響。所獲得數(shù)據(jù)與結(jié)論可作為電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)的重要參考。

#2前言

鋰離子電池安全性和性能保持是目前行業(yè)和用戶最關(guān)心的兩大主題。電池工作溫度是影響鋰電池性能與安全的關(guān)鍵因素，例如，低溫下內(nèi)阻增大，電池容量下降，極端條件下電解液甚至發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致無法放電；高溫下同樣會(huì)引起電池性能下降，同時(shí)可能致使電池發(fā)生熱失控，引起電池燃燒甚至爆炸[1]。

因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)是電池管理系統(tǒng)(BMS)的核心功能，可通過導(dǎo)熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使電池始終工作在合適的溫度范圍內(nèi)。對于優(yōu)秀的BTMS，其設(shè)計(jì)與優(yōu)化離不開電池充放電產(chǎn)熱等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐。

鋰電池充放電總熱量(Qt)主要包括以下分量：1.電極反應(yīng)焓變(Qr)；2.極化熱（電極極化與濃差極化）(Qp)；3.不可逆副反應(yīng)熱(Qs)；4.焦耳熱(QJ)。其中1為可逆分量，2-4為不可逆分量[2]。

本文選取典型鋰電池樣品，通過等溫量熱儀研究了不同材料體系、不同溫度和不同充放電倍率下的電池吸放熱行為。

#3實(shí)驗(yàn)部分

1. 樣品準(zhǔn)備

電池樣品：NCR(2600mAh)、NCM(3200mAh)、ICR(2600mAh)、LFR(1100mAh)四種18650電池、LFP方形電池(35Ah)、NCM軟包電池(50Ah)。

2. 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)儀器：杭州仰儀科技有限公司BIC-400A等溫量熱儀、電池充放電設(shè)備；

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實(shí)驗(yàn)方法：恒流恒壓充電、恒流放電；

等溫目標(biāo)溫度與熱沉間溫差：3℃；

記錄頻率：1Hz；

加熱器通道：2路；

傳感器通道：2路。

3. 實(shí)驗(yàn)過程

(1) 不同正極材料影響：電池連接導(dǎo)線后置于18650電池專用夾具中，設(shè)定樣品溫度為22℃，以1C倍率進(jìn)行恒流放電及恒壓恒流充電實(shí)驗(yàn)，充放電過程中儀器檢測電池吸放熱功率變化。

(2) 工作溫度影響：35Ah LPF方形電池連接導(dǎo)線后置于專用夾具中，分別設(shè)定樣品溫度為12℃、22℃和32℃，并以1C倍率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3) 充放電倍率影響：50Ah NCM軟包電池連接導(dǎo)線后置于專用夾具中，設(shè)定樣品溫度為22℃，并分別以0.2C、1C倍率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

不同正極材料18650電池

BIC-400A電池等溫量熱儀

#4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 不同正極材料電池充放電產(chǎn)熱功率

圖1 不同正極材料18650電池(a)充電與(b)放電過程產(chǎn)熱功率變化

表1 不同正極材料18650電池充放電產(chǎn)熱

如圖1a所示[3]，充電過程LFR電池的產(chǎn)熱功率最低，而ICR的產(chǎn)熱功率最大。同時(shí)充電至截止電壓后，產(chǎn)熱功率會(huì)隨充電電流迅速下降；而放電過程(圖1b)四種電池產(chǎn)熱功率單調(diào)上升，這是因?yàn)樵诜烹娺^程中電池內(nèi)阻逐漸增大。同時(shí)四種電池的產(chǎn)熱功率與產(chǎn)熱量大小順序與充電過程一致。上述結(jié)果符合四種電池的容量與正極材料熱穩(wěn)定性特征。

2. 不同溫度下電池充放電產(chǎn)熱功率

不同溫度下方形電池的充放電產(chǎn)熱數(shù)據(jù)如圖2所示。在較低的12℃下，電池充放電產(chǎn)熱功率最大。而在32℃下，電池產(chǎn)熱功率和產(chǎn)熱量最小，說明適宜的工作溫度可以明顯降低電池充放電產(chǎn)熱；另外，32℃下充電起始階段電池出現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸熱峰，電極反應(yīng)熱表現(xiàn)更為顯著，可逆熱在總放熱量中的占比提高。

圖2 不同溫度下35Ah的LFP方形電池(a)充電與(b)放電過程產(chǎn)熱功率與產(chǎn)熱量變化

3. 不同充放電倍率電池充放電產(chǎn)熱功率

最后，利用50Ah軟包電池研究了倍率的影響。如圖3a所示，在0.2C倍率下，充放電曲線都存在吸熱區(qū)間，且兩條曲線具有明顯的對稱性，說明此時(shí)電池產(chǎn)熱以電極反應(yīng)熱為主，可逆熱占比很高；而在1C倍率下，充放電產(chǎn)熱充放電曲線對稱性減弱，且未出現(xiàn)明顯的吸熱峰。這是由于在提高充放電倍率情況下，可逆反應(yīng)熱基本保持不變，但極化熱和焦耳熱等不可逆熱顯著提高。