功率型鋰離子動力電池的高低溫容量特性

王元奎，魏平芬

(1.中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部，云南昆明650118；2.海軍駐昆明705研究所軍事代表室，云南昆明650118)

功率型鋰離子動力電池的高低溫容量特性

王元奎1，魏平芬2

(1.中國船舶重工集團公司第705研究所昆明分部，云南昆明650118；2.海軍駐昆明705研究所軍事代表室，云南昆明650118)

放電容量和放電倍率是功率型鋰離子動力電池的重要特性指標，均與環境溫度緊密相關。實驗結果表明，功率型鋰離子動力電池的高倍率放電容量隨溫度的降低而迅速下降，隨溫度的升高基本保持不變；低溫下的放電電壓平臺明顯下降，隨溫度的升高有所上升，低溫下的電壓變化速度大于高溫；在常溫條件下，放電容量隨倍率的升高而降低，但變化速度不如溫度引起的變化明顯。

鋰離子電池；環境溫度；容量；倍率

隨著科技的發展，鋰離子電池在電動汽車、水中兵器、空中武器、臨近空間等運用場合得到了廣泛的運用，同時對鋰離子動力電池的高倍率放電、長時間放電、極端環境溫度下放電性能提出了更高的需求。根據實際使用需求，鋰離子電池發展為能量型和功率型兩種：能量型適合于低倍率放電，功率型適合于高倍率放電。鋰離子電池的放電性能與放電倍率、環境溫度直接相關[1-5]，特別是環境溫度還直接關系著電池組的使用安全性、輸出電壓特性以及電池內阻特性[6-7]，這些因素又直接影響著成組工程應用的使用條件與使用環境。因此，對鋰離子電池在不同環境溫度下放電容量與倍率之間的關系開展實驗研究與分析，找出工程應用的邊界條件，對電池組使用條件的制定和成組參數的確定有較高的參考價值。本文對功率型鋰離子動力電池的高低溫容量特性進行放電實驗，并對獲取的實驗數據進行分析與研究，最后給出了相關結論。

1 實驗對象

實驗對象為型號15DR(標稱3.7 V/15.2 Ah)的功率型鋰離子動力電池(廈門產)，正極為三元(鎳鈷錳)材料體系，單體電芯容量為17.6 Ah(1倍率放電至截止電壓3.0 V)。在常溫下以0.5恒流充電至4.20 V，4.20 V恒壓至0.05結束充電，代表性的充電曲線如圖1所示。采用電子負載和高低溫實驗箱，完成充電后，在對應測試環境溫度下擱置2 h后進行倍率放電容量測試，分別進行不同環境溫度下高倍率放電容量、室溫環境下不同倍率放電容量的測試。

圖1 單體電池充電曲線

2 高低溫特性

2.1 常溫特性

圖2 常溫倍率放電容量特性曲線

放電過程中對電池的極耳、電池主體進行溫升監測，電池主體的溫升明顯高于極耳。圖3為常溫倍率放電電池主體溫升曲線，隨著放電倍率的升高，電池主體溫升速率變大，20放電最高溫度為75℃，出現在放電結束后的擱置期。

圖3 常溫倍率放電溫升曲線

2.2 低溫特性

圖4 低溫倍率放電容量特性曲線

圖5為低溫倍率放電電池主體溫度變化曲線，隨著環境溫度的降低，電池主體溫升速率變大，最高溫度同樣出現在放電結束后的擱置期。主要是由于在低溫下，電導率相對常溫時變低，電池內部的化學反應速率變慢，電極的反應活性降低，Li+的擴散速率下降，電池內部阻抗增大，導致電極的嵌脫鋰能力降低，從而造成放電電壓平臺降低，放電容量隨著溫度降低而急劇下降。

圖5 低溫倍率放電溫升曲線

2.3 高溫特性

圖6 高溫倍率放電容量特性曲線

圖7為高溫倍率放電電池主體溫度變化曲線，隨著環境溫度的升高，電池主體溫升速率變小，最高溫度同樣出現在放電結束后的擱置期。

圖7 高溫倍率放電溫升曲線

3 結論

本文通過大量的實驗數據得出了功率型鋰離子動力電池的高倍率放電容量、放電電壓與溫度之間的關系，分析放電容量特性曲線、溫升曲線可以得出以下結論：

(2)環境溫度對鋰離子電池的高倍率放電容量影響很大，低溫時放電容量迅速衰減，高溫時放電容量基本不變；

(3)環境溫度是影響鋰離子電池高倍率放電平臺電壓的關鍵因素，低溫時放電平臺電壓下降明顯，高溫時放電平臺電壓有所上升，但其變化速度小于低溫時；

(4)電池成組運用時，需要充分考慮使用環境條件，根據使用環境溫度下的放電平臺電壓確定成組參數。

環境溫度是影響功率型鋰離子動力電池高倍率放電的關鍵，同時也是鋰離子電池工程運用的瓶頸技術之一，制約著鋰離子電池在極端環境溫度條件下的使用。這些結論明確了功率型鋰離子動力電池高倍率放電時的高低溫特性，對于電池工程運用成組設計及熱管理具有重要意義。

[1]李哲，韓雪冰，盧蘭光，等.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機械工程學報，2011(18)：115-120．

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[3]趙鴻飛，鄧爽，汝坤林，等．高低溫對磷酸鐵鋰動力鋰離子電池性能的影響[J]．電池，2012(2)：88-90．

[4]杜曉莉，鄧爽，王宏偉．錳酸鋰動力電池高低溫性能研究[J]．電池工業，2012(3)：147-149．

[5]史瑞祥，夏晴，楊杰，等．電動汽車用鋰離子動力電池低溫性能研究[J]．客車技術與研究，2012(2)：52-54．

[6]郭宏榆，姜久春，王吉松，等．功率型鋰離子動力電池的內阻特性[J]．北京交通大學學報，2011(5)：119-123．

[7]張志杰，李茂德．鋰離子電池內阻變化對電池溫升影響分析[J]．電源技術，2010(2)：128-130．

High/low temperature capacity characteristics of power lithium-ion battery

The characteristics of power Lithium-ion batteries were closely connected to ambient temperature，such as discharge capacity and rate.The experiments results show that the discharge capacity in high rate of power lithium-ion battery drops sharply when the temperature goes down,only slightly change appears when the temperature goes up; the discharge voltage drops sharply under low temperature,and increases with a relatively slower rate than under low temperature when the temperature goes up;with normal temperature,the discharge capacity decrease with the rise of discharge rate,and the change rate is not obvious such as the affect by temperature.

lithium-ion battery;ambient temperature;capacity;rate

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2079-03

2015-03-15

王元奎(1978—)，男，云南省人，高級工程師，碩士生，主要研究方向為電動力技術。