約束外壓力與鋰電池循環(huán)初始狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性 ①

張良新，李麗娟,*，袁雪芹，宋林霏，張 崢，彭 文

(1.合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司，安徽 合肥 230012；2.皖西學(xué)院材料與化工學(xué)院，安徽 六安 237012)

1 引言

鋰離子電池由于其高能量密度，環(huán)境友好性在消費(fèi)類電子及電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。于此同時(shí)，市場對高能量密度及長循環(huán)性能的要求也是鋰離子電池面臨的重大挑戰(zhàn)[1-3]。應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域，鋰離子電池通常按照一定的連接方式被組裝成模組，再組裝成電池包。通常單體電池的性能參數(shù)都是在無約束條件下獲得的，整包的電性能不同于單體電池的簡單疊加，需要考慮壓力、產(chǎn)熱、散熱、電池一致性等多方面因素的影響。因此，單體電池的電性能并不能完全等同于模組或電池包中的性能發(fā)揮。在上述影響因素中，電池在組裝模組中所受到的約束是一個(gè)不可忽略的因素。通常單體電池的循環(huán)在自由狀態(tài)下進(jìn)行。多個(gè)電池組裝形成模組后，循環(huán)過程導(dǎo)致的單個(gè)電池體積變化，不可避免會(huì)影響臨近電池的受力狀態(tài)。此外，成組過程中也會(huì)對其整體電池施加一定的預(yù)壓力，由此造成了模組中電池的受力狀態(tài)完全不同于單個(gè)電池。因此，有必要對電池約束力范圍的影響因素進(jìn)行研究，供模組設(shè)計(jì)參考，選取合適的工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器

主要儀器：外壓力傳感器CPR162-5T-082，深圳科普瑞廠家；鋰電池新威測試柜(CT-4032-5V50A-NTFA，深圳產(chǎn))。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 所用電池及充放電方案

所用電池為容量38 Ah的三元方形電芯，該方形電芯尺寸為厚度27 mm×寬度148 mm×高度91 mm，正極材料為Li(Ni0.3Co0.3Mn0.3)O2(合肥產(chǎn))，負(fù)極為人造石墨(深圳產(chǎn)，電池級(jí))。電池循環(huán)過程中采用的充放電范圍為3.0 V-4.2 V，采用的充放電方案為1 C恒流恒壓充電至4.2 V，1 C放電至3.0 V。

2.2.2 循環(huán)外壓力與循環(huán)約束初始充放電態(tài)

初始外壓約束力固定，保證SOC為50%狀態(tài)下，將電池約束后初始循環(huán)狀態(tài)設(shè)定為充電和放電態(tài)兩種情況。觀察循環(huán)過程中，電池約束外壓力隨著循環(huán)的變化情況。

2.2.3 循環(huán)外壓力與循環(huán)約束初始SOC狀態(tài)

初始外壓約束力固定，將電池約束后初始循環(huán)狀態(tài)統(tǒng)一設(shè)定為放電態(tài)，約束電池初始放電SOC分別設(shè)定為0% SOC(充)、25% SOC、50% SOC、75% SOC、100% SOC共5個(gè)梯度，觀察初始約束SOC變化的情況下，電池約束外壓力隨著循環(huán)的變化情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 循環(huán)約束初始充放電態(tài)對循環(huán)外壓力的影響

首先，我們考察了在50% SOC條件下對電池施加200 kg預(yù)壓力后，充電和放電對電池實(shí)際約束力范圍的影響，如圖1所示。從圖中可得知，電池所受的實(shí)際壓力波動(dòng)與電壓變化保持一致。外壓力隨著充電電壓的增加而增加，隨著放電電壓的減小而減小。擱置階段，外壓力幾乎恒定不變。

電池實(shí)際受到的壓力范圍值如表1中顯示，初始外壓約束力均為200 kg，SOC為50%的狀態(tài)下，電池初始約束為充電態(tài)時(shí)，循環(huán)5周的外壓力浮動(dòng)范圍為173±118 kg；電池初始約束為放電態(tài)時(shí)，循環(huán)5周的外壓力浮動(dòng)范圍為182±109 kg。約束力浮動(dòng)范圍相近，說明在50% SOC狀態(tài)下，后續(xù)電池的實(shí)際壓力變化僅與電池電壓直接相關(guān)，與電池約束后進(jìn)行充電或放電的順序并無關(guān)聯(lián)。

表1 50% SOC狀態(tài)下的約束外壓力數(shù)據(jù)Table 1 The constrain external pressure data under the condition of 50% SOC.

圖1 50%SOC初始充(a)放(b)電態(tài)下對應(yīng)的外壓力曲線圖Fig.1 External pressure curve of 50% SOC under initial charge (a) and discharge (b) state.

圖2 初始約束SOC狀態(tài)下循環(huán)外壓力變化曲線圖0% SOC(a)25% SOC(b)50% SOC(c)75% SOC(d)及100% SOC(e)；5個(gè)梯度SOC狀態(tài)下循環(huán)外壓力曲線對比圖(f)Fig.2 The corresponding circulating pressure change curves under initial constraint SOC states of 0% SOC (a) 25% SOC (b) 50% SOC (c) 75% SOC (d) and 100% SOC (e);The comparison curves of external pressure curves under 5 gradient SOC states(f).

3.2 循環(huán)約束初始SOC狀態(tài)對循環(huán)外壓力的影響

固定初始外壓約束力為200 kg，SOC分別設(shè)定為0%、25%、50%、75%、100%五個(gè)梯度，監(jiān)控電池外壓力的變化，結(jié)果如圖2所示。同樣電池約束力與外壓力保持一致。圖2f比較了不同SOC下電池壓力變化范圍，可知當(dāng)電池約束時(shí)SOC越低，電池循環(huán)過程受到的實(shí)際壓力峰值越大。外壓力浮動(dòng)范圍列于表2中，初始SOC從低到高對應(yīng)的壓力范圍分別為：306±137 kg、253±76 kg、180±110 kg、149±104 kg及91±84 kg。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡姵卦诔潆娺^程中鋰離子從正極脫出，嵌入負(fù)極石墨片層，造成整體電池體積增加，放電過程中體積恢復(fù)[4]。因此在0% SOC即放電狀態(tài)下約束電池，電池在隨后的充電過程中不斷膨脹，導(dǎo)致約束壓力持續(xù)上升，高于設(shè)定值；相反，在充電狀態(tài)下約束，當(dāng)電池放電至低于初始約束時(shí)的SOC狀態(tài)，電池體積降低，因此會(huì)出現(xiàn)約束力低于初始設(shè)定值的情況發(fā)生?？紤]到實(shí)際情況，從存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性及自放電保持率的角度，以及當(dāng)前的外壓力浮動(dòng)范圍，以50% SOC狀態(tài)為最佳初始約束狀態(tài)。此時(shí)約束力在設(shè)定值上下較為均勻波動(dòng)，偏差較小。

表2 不同SOC狀態(tài)下的約束外壓力數(shù)據(jù)Table 2 The constrain external pressure data under different SOC states.

4 結(jié)論

本文研究了在不同初始SOC狀態(tài)，不同約束力大小情況下電池所受的實(shí)際壓力大小。結(jié)論如下：電池處于約束狀態(tài)下時(shí)，隨著充放電進(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致電池所受約束力的變化，約束力變化與電池電壓基本一致，即充電過程中增加，放電過程中降低，對應(yīng)著電池充放電過程中的膨脹和收縮。電池實(shí)際受到的約束力并不等于實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化。電池受約束時(shí)所處的SOC決定了電池實(shí)際約束力的范圍。在放電狀態(tài)下約束，電池在隨后充放電過程中繼續(xù)膨脹，因此所受的實(shí)際壓力高于設(shè)定約束力，在充電狀態(tài)下約束電池情況相反，電池實(shí)際受力低于設(shè)定值。因此在實(shí)際應(yīng)用中，如組裝模組時(shí)，需要考慮電池所能承受的壓力范圍，確定組裝時(shí)的電池狀態(tài)及預(yù)約束力大小，以保證電池在循環(huán)過程發(fā)揮正常的性能，后續(xù)我們也將對電池在不同約束外壓力下循環(huán)性能的差異進(jìn)行進(jìn)一步地研究。