電加熱煙具聚合物電池溫濕特性研究

李志強，李廷華，尤俊衡，李壽波，申欽鵬，朱東來

云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南昆明，650231

0 引言

電池容量、內阻大小、開路電壓（open circuit voltage，OCV）及荷電狀態（state of charge，SOC）是電池能效管理與控制的四個主要參數指標。環境溫度過高或者過低，相對濕度過高都將影響電池的工作性能，進而影響產品質量[1-2]。Ramadass等[3]的研究表明，45℃循環800次后電池容量損失36%，50℃循環600次后電池容量損失60%，55℃循環500次后，電池容量損失70%。肖飛[4]研究了磷酸鐵鋰電池在低溫環境下的放電性能，發現隨著溫度降低，電池放電電壓顯著降低，放電容量明顯減小。楊陽[5-6]研究了鋰離子單體電池在不同溫度、不同倍率下的充放電特性，發現高溫下電池的充放電效率更高。電加熱煙具聚合物電池的性能要求一般為體積小、大容量、快速充電、短時間大功率放電等。使用過程中，電加熱煙具聚合物電池受到環境溫度和相對濕度的影響，如煙具加熱組件引起的溫度影響、不同地區的環境影響。本研究的目的是通過分析環境溫度及相對濕度對電加熱煙具聚合物電池容量、內阻大小、開路電壓、荷電狀態等電池主要參數的影響規律，為電加熱煙具電池能效管控系統設計提供指導。

1 試驗條件

選取電加熱煙具聚合物電池為研究對象（電池參數：3.7V/260mAh/12350），采用東莞勤卓科技LK-1000G恒溫恒濕試驗箱模擬不同環境溫度以及不同相對濕度，采用安柏AT5210內阻測試儀對電池內阻進行測試，采用深圳新威公司的CT-3008-5V10A-204BTS電源程控實驗設備對鋰電池的實際容量、內阻大小、開路電壓、荷電狀態進行測試。對不同環境溫度以及不同相對濕度下鋰電池的實際容量、內阻大小、開路電壓、荷電狀態的變化規律進行分析。

2 環境溫度以及相對濕度對電池容量的影響

煙具在不同環境溫度和相對濕度下，電池充滿電使用時間以及使用壽命都將受到影響。對此，將按照EVE電池規格書充滿電后的電池置于恒溫恒濕試驗箱[7]，模擬不同環境溫度以及不同相對濕度對電池放電實際容量的影響。標準充電方法為0.2C恒流恒壓充電到4.2V，截止電流為0.02C，C取260mAh。標準放電方法為充電后擱置5min，以1.2A放電至3.0V。采用公式Q=It計算放電容量（Q代表放電容量，I代表恒流放電電流，I=1200mA，t為放電時間）。將同一規格的且未經過5次以上充放電循環的4塊新電池分別放置于濕度相同，溫度為-10℃、10℃、30℃、50℃的恒溫恒濕試驗箱，驗證環境溫度對電池放電容量的影響，然后將同一規格且未經過5次以上充放電循環的4塊新電池分別放置于溫度相同，相對濕度為25%、45%、65%、85%的恒溫恒濕試驗箱中，研究相對濕度對電池放電容量影響，結果如圖1所示。

由于30℃時放電容量最大，若將30℃下的實際放電測試容量換算為100%，則其他溫度下的放電容量如表1所示，由圖1（a）和表1可知，溫度過低或者過高都會造成電池放電容量的衰減[8]，低溫環境下衰減更為明顯。-10℃時，電池容量僅為30℃電池容量的84.18%，10℃和50℃時，電池容量分別為30℃電池容量的90.23%和92.49%。主要原因是在高溫時，由于動力學和熱力學的因素[9]，電池化學反應速度快，電池容量減小。在低溫時，電解質移動得相當慢，從而影響鋰離子在正負極之間的轉移活性，導致電池充放電性能降低、電池容量下降。采用相同的方法，將濕度為25%放電容量換算為100%，其他濕度下的放電容量如表1所示，由圖1（b）和表1可知，隨著濕度的增加，電池放電容量逐漸衰減。濕度為25%、45%、65%、85%分別對應電池放電容量為100%、99.96%、98.79%、96.54%。這可能是因為電池采用鋁塑膜封裝，不能保證絕對密封，濕度大時，電池內水含量增加而導致附加反應增加[10]，從而使充放電效率降低、電池容量下降。

圖1 環境溫度以及相對濕度對電池實際容量的影響

表1 電池放電容量隨環境溫度和相對濕度的變化

3 環境溫度以及相對濕度對電池內阻的影響

電池內阻是表征電池循環壽命和運行狀態的重要參數，是衡量離子和電子在電池內傳輸難易程度的主要標志[11]。內阻大小主要受電池材料、制造工藝、電池結構等因素的影響。內阻越小，電池放電時所占用的電壓越小，輸出的能量越多。對于長期存儲的電池來說，內阻會隨著存儲時間的增加而升高，內阻超過一定值時會對電池的性能造成很大的影響。接下來主要研究環境溫度與相對濕度對電池內阻、歐姆內阻、極化內阻的影響。采用《Freedom CAR國際標準》對電池內阻進行測試[12]，測試步驟：（1）以0.2C恒流恒壓充電到4.2V，截止電流為0.02C，C取260mAh；（2）以1.2A進行放電，放電深度為10%；（3）電池擱置1小時；（4）按照圖2進行一次脈沖功率放電試驗，圖2中點5和點6為開始放電后10s內的變化情況；（5） 重復步驟（1）-（3），每次放電深度增加10%直至放電深度達到100%。

圖2 電池脈沖功率放電試驗

采用公式（1）-（3）分別計算電池內阻R1、歐姆內阻[13]R2、極化內阻[14]R3。式中，為脈沖功率放電前后的端壓變化，為脈沖功率放電前后的電流變化，U4、U5、U6與圖2中各點分別對應。Id對應圖2中點5和點6的電流。

將同一規格的且未經過5次以上充放電循環的4塊新電池分別放置于溫度為-10℃、10℃、30℃、50℃的恒溫恒濕試驗箱，考察環境溫度對電池放電內阻、歐姆內阻、極化內阻的影響；然后將同一規格的且未經過5次以上充放電循環的4塊新電池分別放置于相對濕度為25%、45%、65%、85%的恒溫恒濕試驗箱，考察相對濕度對電池放電內阻、歐姆內阻、極化內阻的影響。

溫度對電池內阻影響的試驗結果如圖3-圖5所示，可以看出電池的荷電狀態從10%升到20%，電池內阻、歐姆內阻、極化內阻隨著荷電狀態增加而降低；荷電狀態在20%到100%之間，隨著荷電狀態增加，電池內阻、歐姆內阻、極化內阻變化較小，基本處于平穩狀態。對比不同溫度下的電池內阻、歐姆內阻、極化內阻，阻值均隨溫度升高而降低。這可能是由直流內阻測試所致，直流內阻包含正負電極金屬片和電解液的歐姆內阻。試驗所用電池為聚合物鋰離子電池，放電過程中鋰離子從負極上的碳片層游離到正極，溫度越高，鋰離子游離速度越快，電解液的歐姆內阻減小，歐姆內阻的主要部分為電解液內阻，所以溫度越高，歐姆內阻越低。與此同時，溫度升高，鋰離子的移動速度加快，化學反應速度加快，濃差極化和電化學極化減小，極化內阻隨之降低。歐姆內阻與極化內阻之和約等于內阻。但歐姆內阻比極化內阻低，這是因為歐姆內阻為放電初始階段的端壓變化，極化內阻為放電后期的端壓變化，前者端壓變化小于后者端壓變化，且兩者放電電流相同，因此歐姆內阻低于極化內阻。

圖3 不同溫度的電池內阻曲線圖

圖4 不同溫度的電池歐姆內阻曲線圖

圖5 不同溫度的電池極化內阻曲線圖

濕度對電池內阻影響的試驗結果如圖6-圖8所示，可以看出濕度25%、45%和65%下的電池內阻、歐姆內阻、極化內阻差異均很小，隨著荷電狀態升高，三種阻值呈現平穩降低的狀態，且變化較小；但當濕度達到85%時，電池內阻、歐姆內阻、極化內阻均明顯升高，且隨著荷電狀態升高，阻值發生波動變化，這可能是因為當濕度達到85%時，電池密封性失效，極片的水含量增加，導致電池附反應增多而引起的。

圖6 不同濕度的電池內阻曲線圖

圖7 不同濕度的電池歐姆內阻曲線圖

圖8 不同濕度的電池極化內阻曲線圖

4 環境溫度以及相對濕度對電池開路電壓和荷電狀態的影響

開路電壓和荷電狀態是煙具電池能效管控系統的重要參數，在一定溫度范圍內， OCV曲線在SOC為20%～80%之間基本呈線性關系，開路電壓法也是SOC估算的一種基本方法。為了驗證不同環境溫度下聚合物鋰電池的OCV與SOC的關系，采用第3節中試驗方法進行測試。

溫度對電池SOC-OCV影響的試驗結果如圖9所示，可以看出聚合物鋰電池在不同溫度下SOCOCV曲線變化趨勢一致，OCV隨著SOC的增加而升高，在SOC為0～5%和90%～100%的范圍內，SOC-OCV曲線斜率較大，OCV值隨SOC增加而升高的速率較快；SOC在5%～90%的范圍內，SOCOCV曲線斜率較小，OCV值隨SOC增加而平穩升高，在這個范圍內，相同的SOC下，不同溫度的最大OCV與最小OCV差值約0.4V-0.6V。OCV相同時，溫度25℃和55℃的SOC值低于溫度0℃和-10℃的SOC值。這可能是因為環境溫度升高，導致電池化學反應速度加快，使得電池SOC減小；當溫度降低時，電解質移動速率減慢，影響了鋰離子在正負極之間轉移活性，從而導致電池充放電性能降低，電池SOC增加。

圖9 不同溫度的電池SOC-OCV曲線圖

濕度對電池SOC-OCV影響的試驗結果如圖10所示，可以看出聚合物鋰電池在不同濕度下SOC-OCV曲線變化趨勢一致，OCV隨著SOC的增加而升高，在SOC為0～5%和95%～100%的范圍內，SOC-OCV曲線斜率較大，OCV值隨SOC增加而升高的速率較快；SOC在5%～95%的范圍內，SOCOCV曲線斜率較小，OCV值隨SOC增加而平穩升高。在這個范圍內，相同的SOC下，不同濕度的最大OCV與最小OCV差值約0.1V，小于不同溫度下最大OCV與最小OCV的差值，說明溫度變化對SOC-OCV的影響大于濕度變化帶來的影響。OCV相同時，濕度65%和85%的SOC值低于濕度25%和45%的SOC值。這可能是因為電池采用鋁塑膜封裝，不能保證絕對密封，當濕度增大時，進入電池內部的水含量增加，引起電池副反應產生的氣體增加，導致電池內壓升高以及濃差極化和電化學極化改變，從而使得SOC降低。

圖10 不同濕度的電池SOC-OCV曲線圖

5 結論

本研究考察了環境溫度和相對濕度對電加熱煙具聚合物電池容量、內阻大小、開路電壓及荷電狀態的影響規律，可知：（1）溫度過低或者過高都會造成電池放電容量衰減，低溫環境下衰減較大；隨著相對濕度增加，電池放電容量也逐漸衰減。（2）對比不同溫度下的電池內阻、歐姆內阻、極化內阻，阻值均隨溫度升高而降低，不同荷電狀態范圍內，電池內阻、歐姆內阻、極化內阻的變化程度不同；濕度25%、45%和65%下的電池內阻、歐姆內阻、極化內阻差異均很小，隨著荷電狀態升高，三種阻值呈現平穩降低的狀態，且變化較小；但當濕度達到85%時，三種阻值均明顯升高，且隨著荷電狀態升高，阻值發生波動變化。（3）聚合物鋰電池在不同溫度和不同濕度下，OCV均隨著SOC的增加而升高，且在不同SOC范圍內，OCV值隨SOC增加而升高的速率不同；而溫度變化對SOCOCV的影響大于濕度變化的影響；OCV相同時，溫度25℃和55℃的SOC值低于溫度0℃和-10℃的SOC值，濕度65%和85%的SOC值低于濕度25%和45%的SOC值。