亥姆霍茲線圈磁場對鋰離子電池性能的影響

阮觀強,郁長青,胡 星,華 菁

（上海電機學院機械學院,上海 201306）

三元正極材料鋰離子電池是應用較多的動力電池之一,受到較廣泛的研究[1]。影響鋰離子電池充放電性能的因素很多,如充放電倍率、內阻和溫度等。魯懷敏等[2]對軟包裝三元正極材料鋰離子電池進行壓力實驗,認為充放電容量隨著壓力的增加而降低。鄭昆等[3]研究了環境溫度對新標準歐洲循環（NEDC）工況下鋰離子電池組放電性能的影響,發現隨著環境溫度的降低,容量和能量因內阻增大而衰減。這些結果有助于深入研究鋰離子電池性能的影響因素。

在實際工況中,電動汽車中的高壓導線、電動機和其他電氣設備等都會產生磁場,可能會影響動力電池的充放電性能。H.M.Cheng等[4]將γ-Fe2O3摻入磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極材料中,證明γ-Fe2O3產生的磁場在帶電的LiFePO4顆粒上產生磁力,并加速電子運動,提高了電池的功率密度,延長了循環壽命,以10.0 C倍率在2.5～4.3 V循環,正極材料為純LiFePO4的電池的放電比容量為1.8 mAh/g,摻入15%γ-Fe2O3后增加至69.8mAh/g。 以5.0 C倍率循環35次后,正極摻入15%γ-Fe2O3電池的容量保持率為92.6%,高于純磷酸鐵鋰鋰離子電池的65.3%。K.Shen等[5]將磁感應強度為350 mT的旋轉磁場施加到鋰金屬電池的陽極上,使Li+受洛倫茲力作用,并產生磁流體動力學（MHD）效應,可抑制鋰枝晶的形成,提高電池的倍率性能和穩定性,未施加磁場時,在3.0 V下,0.5 C、4.0 C放電比容量分別為112 mAh/g、68 mAh/g,施加磁場后,放電比容量分別增加至132 mAh/g、97 mAh/g。J.Billaud等[6]在電極制造過程中施加低強度磁場,使石墨顆粒垂直于集流體定向。此方法僅通過改變電極的內部結構,就增加了鋰離子電池的容量,與未施加磁場相比,施加磁場后的放電比容量增加了1.6～3.0倍。

有鑒于此,本文作者以鋰離子電池為研究對象,放置于不施加磁場和施加不同磁感應強度的亥姆霍茲線圈磁場的環境中,進行充放電實驗,通過比較容量、能量和端電壓等性能參數的變化,分析亥姆霍茲線圈磁場對性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗對象及設備

為研究鋰離子電池在不同磁場環境下的充放電特性,搭建的測試平臺如圖1所示。

圖1 實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

測試對象為松下18650型鋰離子電池（日本產）,正極為LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料,負極材料為石墨,單體容量為3 000 mAh。用MACCOR-M4300桌面電池測試系統（美國產,電壓范圍為±5 V,電流范圍為0～5 A,電壓精度為滿量程的0.02%,電流精度為所選量程滿刻度的0.01%,時間分辨率為10 ms）對電池進行充放電測試。用PS1LXG-280型亥姆霍茲線圈（湖南產）產生磁場,磁感應強度為0～80 mT,精度為0.1%。電池溫度用E型熱電偶（美國產,測量范圍為-40～375℃,允差值為1.5℃）測量。熱電偶布置在電池側面靠近正極處、側面中部和側面靠近負極處,如圖2所示。

圖2 熱電偶布置位置Fig.2 Thermocouple layout position

1.2 不施加磁場時的測試方法

不施加磁場（磁感應強度為0）時,鋰離子電池充放電性能測試方法如下:放電規則為電池以1/3 C倍率恒流放電至終止電壓2.75 V;充電規則為電池以1/3 C倍率恒流充電至截止電壓4.20 V。電池所處環境溫度控制在20℃。

在不同倍率下對鋰離子電池進行充放電,實驗步驟為:①將電池按照放電規則放電;②放電完成后,將電池擱置1 h;③將電池按照充電規則充電;④充電完成后,將電池擱置1 h;⑤按步驟①～④循環一次;⑥改變充放電倍率為1/2 C、1 C,并重復以上步驟。

采樣時間為5 s。當每種倍率的充放電實驗完成后,考慮到數據的穩定性,記錄第2次循環時,電池的電壓、電流、容量、能量和溫度等相關參數。

1.3 施加亥姆霍茲線圈磁場時的測試方法

施加亥姆霍茲線圈磁場時,電池的充放電性能測試方法為:將電池放置在亥姆霍茲線圈中,設置給亥姆霍茲線圈供電的直流電源的電流為1 A,放電、充電規則不變。

在不同磁感應強度下,對鋰離子電池進行充放電,具體實驗步驟為:①按不施加磁場的充放電方法進行測試;②改變流過亥姆霍茲線圈的電流為5 A和10 A。

采樣時間為5 s。當直流電源的電流大小為1 A、5 A和10 A時,產生磁場的磁感應強度分別為3.95 mT、19.75 mT和39.50mT。當每組充放電實驗完成后,記錄第2次循環時,電池的電壓、電流、容量、能量和溫度等相關參數。

2 結果與討論

2.1 容量對比

被測電池在不同磁感應強度下的放電容量如圖3所示,放電倍率分別為1 C、1/2 C和1/3 C。

圖3 電池在不同磁感應強度下的放電容量Fig.3 Discharge capacity of battery under different magnetic induction intensities

從圖3可知,在同一磁感應強度下,隨著電池放電倍率的增大,放電容量逐漸減小。在同一放電倍率下,隨著磁感應強度的增大,電池的放電容量逐漸增大。以1/3 C倍率為例,磁感應強度為0時,放電容量為2.46 Ah;當磁感應強度增加至3.95 mT時,放電容量為2.51 Ah,增加了2.03%;當磁感應強度增加至19.75 mT時,放電容量為2.66 Ah,增加了8.13%;當磁感應強度增加至39.50 mT時,放電容量為2.89 Ah,增加了17.48%。

產生這一現象的原因是:亥姆霍茲線圈產生的磁場能給帶電的Li+提供洛倫茲力,促使Li+在電解液中均勻分布,加快Li+從負極擴散到正極的速度,使反應進行得更充分,進而增加電池的放電容量。隨著磁感應強度的增大,洛倫茲力逐漸增大,進一步加快了Li+的擴散速度。在實際工況中,可適當提高電池所處磁場的磁感應強度,來提高放電性能。

電池在不同磁感應強度下的充電容量如圖4所示。

圖4 電池在不同磁感應強度下的充電容量Fig.4 Charging capacity of battery under different magnetic induction intensities

從圖4可知,電池的充電容量隨著磁感應強度的增大而增大,且整體趨勢與圖3基本相同,原因與放電容量增加相同。

綜上所述,磁場對鋰離子電池的充放電容量均有影響,電池的充放電容量隨著磁感應強度的增大而增大,且兩者近似呈線性關系。

2.2 能量對比

電池在不同磁感應強度下的放電能量如圖5所示。

圖5 電池在不同磁感應強度下的放電能量Fig.5 Discharge energy of battery under different magnetic induction intensities

從圖5可知,在同一磁感應強度下,隨著電池放電倍率的增大,放電能量逐漸減小。以1/3 C倍率為例,當磁感應強度為0時,電池的放電能量為8.66Wh;當磁感應強度增加至3.95 mT時,放電能量為8.85Wh,增加了2.20%;當磁感應強度增加至19.75 mT時,放電能量為9.40 Wh,增加了8.55%;當磁感應強度增加至39.50 mT時,放電能量為10.28Wh,增加了18.71%。與放電容量相似,隨著磁感應強度的增大,電池的放電能量逐漸增大,原因是磁場產生的洛倫茲力使帶電的Li+均勻分布,加快了Li+從負極擴散到正極的速度,使反應進行得更充分,放電能量增加。

電池在不同磁感應強度下的充電能量如圖6所示。

圖6 電池在不同磁感應強度下的充電能量Fig.6 Charging energy of battery under different magnetic induction intensities

從圖6可知,電池的充電能量隨著磁感應強度的增大而增大,且整體趨勢與圖5基本相同。充電能量相對放電能量有所增加,是因為電池在放電過程中內部的化學反應更劇烈,并產生大量熱量,而充電過程產生的熱量相對較少。綜上所述,磁場對鋰離子電池的充放電能量均有影響,充放電能量隨著磁感應強度的增大而增大。

2.3 放電溫升對比

經過測量,電池表面3個被測點溫度相差不超過1℃,因此選擇T2即電池表面中部溫度數據加以分析,并計算電池在第2次循環放電過程中溫升的數值,如圖7所示。

圖7 電池在不同磁感應強度下的放電溫升Fig.7 Discharge temperature rise of battery under different magnetic induction intensities

從圖7可知,以1/3 C倍率為例,當電池未放在磁場中,即磁感應強度為0時,電池的放電溫升為4.67℃;當磁感應強度增加至3.95 mT時,電池的溫升為6.45℃,增加了38.12%;當磁感應強度增加至19.75 mT時,電池的溫升為12.21℃,增加了161.46%;當磁感應強度增加至39.50 mT時,電池的溫升為27.91℃,增加了497.64%。這表明,隨著磁感應強度的增大,電池的表面溫度劇烈增加,原因是亥姆霍茲磁場提供的洛倫茲力使Li+在電解液中均勻分布,加速了Li+的擴散,使電池的溫度升高。且1 C倍率放電時的溫升曲線更加陡峭,而1/2 C倍率和1/3 C放電時的溫升曲線相對平緩。由此可見,隨著放電倍率的增大,磁感應強度的增加對電池的溫升作用更加明顯。

2.4 放電曲線

電池在不同磁感應強度下的1/3 C倍率放電曲線如圖8所示。

圖8 電池在不同磁感應強度下的1/3 C倍率放電曲線Fig.8 1/3 C rate discharge curves of battery under different magnetic induction intensities

從圖8可知,在初始放電時,電壓下降較快,之后放電曲線趨于平緩,進入放電平臺。當放電快結束時,電壓突然下降至終止電壓。這是因為在放電過程中,負極發生氧化反應,釋放出電子,正極發生還原反應,正、負極之間的電壓差逐漸降低。磁感應強度影響電池的放電容量,隨著磁感應強度的增大,放電容量逐漸增大,且磁感應強度越大,電池的端電壓越高。隨著磁感應強度的增大,放電電壓平臺呈上升趨勢,且磁感應強度越大,平臺時間越長,變化越緩慢。當磁感應強度僅為3.95 mT時,與磁感應強度為0時的放電曲線基本重合,但當磁感應強度增加至19.75 mT甚至39.50 mT時,放電電壓平臺明顯升高,說明適當提高磁感應強度可提高電池的放電平臺,提高鋰離子電池的放電性能。

3 結論

本文作者選取以LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2為正極活性物質的鋰離子電池作為實驗對象,在不同磁感應強度的亥姆霍茲線圈磁場中,研究磁場對鋰離子電池充放電性能的影響,包括充放電容量、能量、溫升和端電壓等。

實驗結果表明:鋰離子電池的充放電容量均隨著磁感應強度的增加而增大,在1/3 C倍率下,當磁感應強度增加至3.95mT、19.75mT和39.5mT時,電池放電容量分別增加了2.03%、8.13%和17.48%,兩者近似呈線性關系。鋰離子電池的充放電能量均隨著磁感應強度的增加而增大,且放電能量略小于充電能量;電池表面溫度隨著磁感應強度的增大而增加;放電端電壓隨著磁感應強度的增加而增大。

施加亥姆霍茲線圈磁場可在一定程度上提高鋰離子電池的性能。