温度对NCM锂离子动力电池特性的影响

2017-10-18，

河南化工 2017年9期

关键词：内阻电解液动力电池

，

(1.新乡电池研究院有限公司 , 河南新乡 453000 ； 2.河南师范大学 , 河南新乡 453000)

温度对NCM锂离子动力电池特性的影响

刘红涛1，董红玉2

(1.新乡电池研究院有限公司 , 河南新乡 453000 ； 2.河南师范大学 , 河南新乡 453000)

基于市场上成熟的镍钴锰(NCM)锂离子动力电池产品进行测试。随着温度的降低，电池内阻增大，电池放电容量减小。同时发现温度降低，电池极化内阻增大。但电池的欧姆内阻基本不随电池的剩余容量(SOC)变化而变化，极化内阻的变化趋势和等效内阻随SOC的变化趋势相同。随着温度的降低，电池的内阻增大，电池的循环寿命逐渐降低。

温度；等效内阻；极化内阻；循环寿命

Abstract:Testing is based on the mature lithium-ion power battery with NCM cathode on the market.As the temperature decreases,the internal resisitance of the battery increases and the discharge capacity of battery decreases.As the same time,it found that the temperature decreases,polarization resistance of battery increases.However,the ohmic resistance of the battery does not change with the SOC, and the change trend of the polarization resistance and equivalent resistance are the same as the change trend of SOC. As the temperature decreases, the internal resistance of battery increases , the cycle life of battery gradually decreases.

Keywords:temperature ; equivalent resistance ; polarization resistance ; cycle life

0 前言

由于新能源汽车对于缓解环境污染和能源危机有着重要的意义，因此国家大力推广新能源汽车[1]。锂离子电池的长寿命、高电压、大容量、体积小等优点，成为新能源汽车首选的动力来源。目前动力电池技术路线主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂离子电池等。其中磷酸铁锂稳定性好、安全性好，但比能量较低。三元锂离子电池的比能量能达到200 Wh/kg，是新能源汽车更高续航里程的理想材料。但是其材料活性较高，安全性较低，也是制约其发展的缺陷[2]。

影响电池性能的因素很多，正负极材料的选择、黏结剂、导电剂的配比、电池结构设计、电池工艺控制，电池使用环境、电池管理系统等[3]。温度对锂电池的容量、倍率、循环寿命、内阻等有较大的影响，温度升高可以促进化学反应，但温度过高就会使得电池发生热失控，从而燃烧，引发安全事故[4]。电池管理系统的优化设计能弥补三元电池安全性差的缺点。研究了电池性能参数随温度的变化规律，为电池管理系统设计提供了依据。

李哲等[5]研究了温度对磷酸铁锂电池性能的影响，发现温度对电池的容量、内阻等都有较大的影响。本文研究了温度对三元材料电池性能的影响，为三元电池管理系统设计提供依据。

1 实验

1.1实验对象

采用某款车载三元动力电池，标称容量为32.5 Ah，正极材料为镍钴锰(NCM)，为保证其安全性能，正极主材中掺有少量锰酸锂。

1.2实验设备

充放电设备为arbin电池测试系统，上海博翎仪器设备有限公司电池测试专用恒温箱 BLC-300提供测试环境温度。

2 实验结果

10、25、45 ℃下0.5 C的放电容量如图1所示。

图1 10、25、45 ℃下0.5 C的放电容量

从图1中可以看出，随着温度的上升，电池的放电容量逐渐升高。这是由于温度对电解液的电导率有较大的影响，电解液中主要包括有机溶剂、锂盐和添加剂。温度越低，锂盐在有机溶剂中的溶解度就越低，锂离子溶度就越低。而且有机溶剂的黏度随温度降低而增大，锂离子在有机溶剂中的迁移速度也将随温度的降低而减小[6]。根据电解液的电阻公式：

(1)

其中：L为长度，S为横截面积，r是电解液的电导率，电导率与离子浓度和迁移速度有关。因此电导率减小，电池内阻增大，容量会随着温度的降低而逐渐减小。同时，温度较低时，隔膜的润湿和透过性变差，使得电池的容量减小。

可以看出，电池的内阻和温度有很大的关系。由于交流阻抗所测的电压误差值较大，因此采用谭晓军[7]的测量方法来测量电池的等效内阻。此方法采用脉冲电流放电的方法来测定不同SOC(剩余容量)下电池的等效内阻。此方法如下：①以0.5 C的放电倍率恒流放电300 s；②静置3 600 s；③继续0.5 C放电300 s，持续循环①、②步骤，直到3 V截止电压。

将每次步骤①结束放电电压记为Un(n=1、2……)，每次步骤②结束开路电压记为Udn(n=1、2……)，放电电流为I。那么等效内阻为：

(2)

利用公式(2)可以计算出不同SOC下电池的等效内阻。由于电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻，且10 s内的电压回弹来表征为电池的欧姆内阻，剩余的为极化内阻。不同温度下电池的等效内阻值见图2。

图2 不同温度下电池的等效内阻

从图2中可以看出，电池的等效内阻随着温度的降低而逐渐增大。这进一步证明不同温度下电池容量减小是由电阻的原因造成的。同时发现同一温度下电池的等效内阻随SOC变化并不是成线性变化的，这可能是由于所测的电池正极材料并非是纯的三元材料，其中有少量锰酸锂材料。锰酸锂的内阻相较三元材料较大，在一些温度和SOC下，呈现主要作用。不同温度和SOC下电池的极化内阻见图3。

图3 不同温度下电池的极化内阻

从图3中可以看出极化内阻随温度的降低而增大。这是由于随着温度的降低，使得电极/电解液界面上电荷转移速度降低，离子的传输动力学性能降低，相应的电化学极化和浓差极化变大，极化内阻就会变大[8]。同时也可以发现同一温度下极化内阻随SOC的变化趋势与等效内阻的变化趋势一致。由此我们可以判断出，同一温度下电池等效内阻随SOC的变化主要是由于极化内阻变化引起的。相应的磷酸铁锂电池测试中也有相似的性质，欧姆内阻基本不随SOC的变化而变化，内阻变化主要是有极化内阻引起的。不同温度下1C倍率放电100次循环性能测试图见图4。

图4 不同温度下1C倍率放电100次循环容量

从图4中可以看出随着温度的降低，电池循环性能逐渐降低。因为随着温度降低，电池极化内阻增大。温度越低，锂离子在负极中脱出较为容易，嵌入困难，充电时锂离子会形成金属锂，且与电解液反应形成新的SEI膜(固体电解质界面膜)，使得负极表面的SEI膜厚度增加，消耗锂离子浓度和增大阻抗，使得循环寿命逐渐降低[9-10]。相同的倍率放电，锂离子在正极材料中的嵌入/脱出所产生的应力疲劳会加重，影响材料的晶体结构，进而影响电池的循环寿命[11]。从而使得电池的循环寿命逐渐降低。因此可以通过手段去控制电池工作温度以及所处的SOC范围，可以减小电池极化内阻，进而减小电池内阻，增加电池的容量和循环寿命。

3 结论

随着温度的降低，电池放电容量逐渐降低。且随着温度的降低，电池内阻增大，从而影响电池容量。同时发现温度降低，电池极化内阻增大，且极化内阻的变化趋势和等效内阻的变化趋势相同。电池的欧姆内阻基本不随电池的SOC变化而变化，而极化内阻会随着SOC的变化而变化。同时随着温度的降低，电池的内阻增大，电池的循环寿命逐渐降低。因此设计电池管理系统时，可以控制电池的工作温度和SOC范围，来最大限度发挥电池的性能。

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EffectofTemperatureonCharacteristicsofNCMLithium-ionPowerBattery

LIUHongtao1,DONGHongyu2

(1.Xinxiang Battery Research Insitute Co.Ltd , Xinxiang 453000 , China ; 2.Henan Normal University , Xinxiang 453000 , China)