鋰電池擱置-負脈沖快速充電實驗研究

李志鵬，梁威

（201600 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院 ）

0 引言

能源與環境是21 世紀人類發展要面臨的兩大挑戰，隨著能源價格的劇烈波動，環境保護輿論的持續高漲，節能減排是亟需解決的問題[1]。機動車是石油消耗的重要領域之一，汽車尾氣對環境造成了嚴重的污染。發展電動汽車是改善城市環境、消除能源危機的重要措施[2]。目前電動汽車研究的關鍵是電池，常用的電池有鉛酸蓄電池、鎳鉻蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子電池[3]。由于鋰離子電池的能量密度高、循環使用壽命長，在電動汽車領域應用日益廣泛[4]，因此對于鋰離子電池快充充電的研究愈加重要[5]。本文通過實驗分析，提出了結合擱置-負脈沖的五階段恒流充電方法，實現對鋰離子電池的快速充電。

1 理論分析

20 世紀60 年代，美國科學家馬斯在大量實驗數據的基礎上提出了馬斯三定律，成為快速充電的理論基礎[6]。

馬斯第一定律：當蓄電池以任意電流值放電時，蓄電池的充電接受比與其放出的電荷容量C的平方根成反比，即。

馬斯第二定律：對于任意給定的放電深度，蓄電池充電接受比與放電電流的對數成正比，即。

馬斯第三定律：當用幾種放電倍率對蓄電池放電后，蓄電池最終能夠允許的充電電流值是各個放電倍率下允許的充電電流值的綜合，即It=I1+I2+I3+…

由馬斯三定律指出了電池對于電流的接受能力與其放電電量的關系[7]。通過對馬斯三定律進行分析可知，在充電過程中適當加入負脈沖，對電池進行一定程度的放電，可以提高電池對于電流的接受能力，從而提高充電速度。

極化現象是由電池正負極間的電動勢偏差引起的，根據引起極化的因素的不同，將極化現象分為3 類：歐姆極化、電化學極化、濃差極化[8]。在充電過程中停止充電，歐姆極化立即消失，正負極板上的電荷逐漸消失，濃差極化及電化學極化也得到一定程度的緩解[9-11]，因此擱置可以緩解充電過程中的極化現象，提高電池充電性能[12]。

2 實驗

2.1 實驗裝置

本文所用的電池為3.7 V/10 mAh 的LIR1220鈷酸鋰電池，其充電截止電壓為4.2 V，放電截止電壓為2.75 V，工作環境為25 ℃。

電池充放電實驗平臺主要包括硬件和軟件兩個部分，硬件包括藍電測試儀（8 通道）和電化學工作站，軟件部分包括LANDct 電池測試分析軟件。圖1 為LANDct 電池測試分析軟件界面。

圖1 LANDct 電池測試分析軟件界面Fig.1 LANDct battery test and analysis software interface

2.2 實驗程序

對鈷酸鋰電池進行五階段恒流充電，各階段電流倍率分別為2.00C、1.65C、1.45C、1.20C、0.70C，各階段的切換條件是充電至截止電壓。首先確定擱置的最佳參數。在各個切換時刻加入5 min 的擱置時間，根據5 min 內電池端電壓的跌落值，確定擱置的寬度參數取值區間。將各切換時刻的擱置時間由5 min 調整為10，20，30 s，其他條件不變，記錄各擱置時間的實驗數據。對于負脈沖，放電時間過短則優化效果不明顯，放電時間過長則電池過度放電。根據實驗數據，將負脈沖時間設置為10 s，放電倍率分別設置為0.5C、1.0C、1.5C 進行實驗，記錄實驗的數據。最后根據擱置的最佳寬度參數以及負脈沖的最佳幅值參數，設計擱置-負脈沖相結合的五階段恒流充電方法，記錄并分析比較實驗數據。每組實驗重復3 次，然后取平均值，進而獲得較為準確的數據。

3 結果與討論

3.1 加入擱置的五階段恒流充電法實驗分析

由圖2 可知，在五階段恒流充電的各切換時刻加入5 min 的擱置后，10 s 內電池端電壓斷崖式下滑，這是因為電流降為零，歐姆極化消失，導致極化電壓迅速下降；在接下來的20～50 s 內，電池端電壓大幅度下滑，這是因為在這個擱置時間段內，濃差極化與電化學極化得到緩解；在100 s以后，電池的端電壓變化幅度較小；在4 min 后，電池的端電壓基本保持不變。根據擱置5 min 的實驗數據，可以將擱置時間設置為10，20，30 s，實驗分析加入擱置的五階段恒流充電法的最佳寬度參數。

圖2 擱置5 min 內電池端電壓變化曲線Fig.2 Change curve of battery terminal voltage in 5 min

圖5 為擱置時間設置為20 s 的五階段恒流充電測試時間-電壓-電流曲線圖。由圖可知，在加入擱置的瞬間，鈷酸鋰電池端電壓直線下滑。在擱置期間，鋰電池的端電壓仍大幅度下滑，這是歐姆極化消失導致的。以電池充電容量與充電時間的比值作為充電效率值，衡量鋰電池的充電性能。由實驗數據分析可知，擱置20 s 的五階段恒流充電法，充電時間為2 165 s，充電容量為8.051 mA·h，充電效率值為3.719，相較于無擱置的五階段恒流充電法（充電容量7.971 mA·h，充電時間2 209 s，充電效率值為3.177）充電效率值提升了9.890 9%。圖4 與圖6 分別為擱置時間10 s 及擱置時間30 s 的五階段恒流充電測試時間-電壓-電流曲線圖，其充電特性與擱置20 s 的充電特性基本一致。擱置時間為20，30 s 的充電效率值分別為3.695、3.494，相對提升了9.176 5%，3.241%。由實驗數據可知，最佳擱置參數為20 s。

圖3 五階段恒流充電曲線圖Fig.3 Five-stage constant current charging curve

圖4 擱置10 s 的五階段恒流充電特性曲線Fig.4 Five-stage constant current charging characteristic curve after 10 s

圖5 擱置20 s 的五階段恒流充電特性曲線Fig.5 Five-stage constant current charging characteristic curve after 20 s

圖6 擱置30 s 的五階段恒流充電特性曲線Fig.6 Five-stage constant current charging characteristic curve after 30 s

3.2 加入負脈沖五階段恒流充電法實驗分析

圖8 為負脈沖1C 的五階段恒流充電的測試時間-電壓-電流曲線圖。由圖可知，在加入負脈沖時，鈷酸鋰電池的端電壓急劇下降，這是因為電池在負脈沖放電時，電解液內的鋰離子在反作用力的影響下朝著正極運動，打破了電池內的離子濃度梯度，有效地緩解了濃差極化與電化學極化。由實驗結果可知，負脈沖為1.0C 的五階段恒流充電的充電效率值為3.683，相較于無負脈沖的五階段恒流充電的充電效率值提高了8.840 7%，負脈沖為0.5C 及1.5C 的充電效率值分別為3.604、3.537，相較提高了6.491%、4.510%。由實驗數據可知，最佳負脈沖參數為1.0C。

圖7 負脈沖0.5C 的五階段恒流充電曲線圖Fig.7 Five-stage constant current charging curve of negative pulse 0.5C

圖8 負脈沖1.0C 的五階段恒流充電曲線圖Fig.8 Five-stage constant current charging curve of negative pulse 1.0C

圖9 負脈沖1.5C 的五階段恒流充電曲線圖Fig.9 Five-stage constant current charging curve of negative pulse 1.5C

3.3 擱置負脈沖五階段恒流充電法實驗分析

圖10 為最佳擱置及最佳負脈沖相結合的五階段恒流充電的測試時間-電壓-電流曲線。由實驗結果可知，擱置-負脈沖的五階段恒流充電法的充電時間為2 256 s，容量為8.666 mA·h，充電效率值為3.841，相對無擱置負脈沖五階段恒流充電，充電效率值提高了20.9%，優于擱置五階段恒流充電以及負脈沖恒流充電的充電效率值的提升百分比。

圖10 擱置負脈沖的五階段恒流充電曲線圖Fig.10 Five-stage constant current charging curve with negative pulse

圖11 各充電方法的充電效率值對比圖Fig.11 Comparison of charging efficiency values of different charging methods

4 結論

根據馬斯三定律，在充電的過程中對電池進行一定程度的放電，可以提高電池對于電流的接受能力。利用擱置消除歐姆極化以及負脈沖緩解濃差極化以及電化學極化，在此基礎上結合五階段恒流充電，實現鋰電池的快速充電。通過實驗確定了擱置的最佳寬度參數以及負脈沖的最佳幅值參數。將擱置與負脈沖相結合，鋰電池的充電效率值得到一定程度的提高。本文為基于擱置-負脈的五階段恒流充電做出了探索，為進一步的研究提供了理論和實驗依據。