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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:admin??發布時間:2019-08-22 00:00:00??閱讀數:

        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次數的增加,電池容量將會不斷衰減,當容量衰減至額定容量的75%~80%時,則認為鋰離子電池進入失效狀態。放電倍率、電池溫升、環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則,將放電倍率、電池放電溫升、環境溫度依次作為變量和定量進行循環實驗,分析不同正極材料下,放電倍率、電池放電溫升、環境溫度以及循環次數對鋰離子電池放電容量的影響。

      一、電池基本實驗方案 

        正、負極材料不同,循環壽命差異較大,影響電池的容量特性。磷酸鐵鋰(LFP)和鎳鈷錳三元材料(NMC)以其獨特優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

        將LFP和NMC的鋰離子電池按照一定的恒流恒壓充電、恒流放電規則進行充放電,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則,將LFP電池和NMC電池按照不同放電倍率進行恒流放電。調整溫度分別為: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

        當溫度降到0 ℃以下時,放電容量衰減嚴重并出現容量不可逆現象。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,鋰離子電池持續出現放電容量衰減現象,究其原因是由于極化嚴重,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,放電容量開始顯現不同程度的回升跡象。由于反應的持續進行,電池本身的溫度會隨放電倍率的增加而顯著升高,Li+熱運動能力加強、擴散速度加快,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致了電池的不單調現象。

      三、電池溫升對放電容量的影響

        NMC電池在30℃下分別進行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行分析可知,溫度升高主要在放電初期和后期。

      四、環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放電倍率下的參數變化
      NMC電池在3C放電倍率下的參數變化

        低溫實驗后恢復高溫,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熱穩定性良好,僅在低溫下表現出較差的耐受性,電池容量出現不可逆的衰減;而NMC電池對溫度變化敏感。

      五、循環次數對放電容量的影響

        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。隨著充放電循環次數的增加,放電容量開始呈現衰減。

      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進行充放電循環實驗,共進行600次循環實驗,以電池容量的80%作為電池失效判別標準。以100 為間隔次數對放電容量及容量衰減相對誤差的百分比進行分析,如圖5所示。

        將2000mAh的NMC電池以充電1.0C放電1.0C進行充放電循環實驗,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為間隔次數對放電容量以及容量衰減相對誤差的百分比進行分析,如圖6所示。

        LFP電池和NMC電池在循環次數為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次循環后,放電容量衰減嚴重。LFP電池循環壽命長,理論壽命是1 000 次;NMC電池理論壽命是300 次。經歷相同的循環次數,NMC電池容量衰減速度較快;當循環次數為600 時,NMC電池容量衰減接近失效閾值位置。

      六、結論

        通過對鋰離子電池進行充放電實驗,以正極材料、放電倍率、電池溫升、環境溫度和循環次數五個參數作為變量,分析了容量相關特性與不同影響因素之間的關系,得出以下結論:

       ?、僭陔姵仡~定溫度范圍內,適當的高溫對Li+的脫嵌和嵌入有促進作用。尤其是對放電容量來說,放電倍率越大,生熱速率越大,鋰離子電池內部的電化學反應越明顯。

       ?、贚FP電池在充放電過程中對高溫、放電倍率表現出較好的適應性;對低溫有較差的耐受性,放電容量衰減嚴重,升溫后不可恢復。

       ?、墼谙嗤某浞烹娧h次數下,LFP電池循環壽命長,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,放電容量出現不單調性且溫升變化顯著。

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