前言
鋰離子電池安全性和性能保持是目前行業(yè)和用戶最關(guān)心的兩大主題。電池工作溫度是影響鋰電池性能與安全的關(guān)鍵因素，例如，低溫下內(nèi)阻增大，電池容量下降，極端條件下電解液甚至發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致無法放電；高溫下同樣會(huì)引起電池性能下降，同時(shí)可能致使電池發(fā)生熱失控，引起電池燃燒甚至爆炸[1]。
因此，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)是電池管理系統(tǒng)(BMS)的核心功能，可通過導(dǎo)熱介質(zhì)、測(cè)控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使電池始終工作在合適的溫度范圍內(nèi)。對(duì)于優(yōu)秀的BTMS，其設(shè)計(jì)與優(yōu)化離不開電池充放電產(chǎn)熱等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐。
鋰電池充放電總熱量(Qt)主要包括以下分量：1.電極反應(yīng)焓變(Qr)；2.極化熱（電極極化與濃差極化）(Qp)；3.不可逆副反應(yīng)熱(Qs)；4.焦耳熱(QJ)。其中1為可逆分量，2-4為不可逆分量[2]。
本文選取典型鋰電池樣品，通過等溫量熱儀研究了不同材料體系、不同溫度和不同充放電倍率下的電池吸放熱行為。
實(shí)驗(yàn)部分
1. 樣品準(zhǔn)備
電池樣品：NCR(2600mAh)、NCM(3200mAh)、ICR(2600mAh)、LFR(1100mAh)四種18650電池、LFP方形電池(35Ah)、NCM軟包電池(50Ah)。
2. 實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)儀器：杭州仰儀科技有限公司BIC-400A等溫量熱儀、電池充放電設(shè)備；
實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑旱葴亓繜崮Ｊ剑?
實(shí)驗(yàn)方法：恒流恒壓充電、恒流放電；
等溫目標(biāo)溫度與熱沉間溫差：3℃；
記錄頻率：1Hz；
加熱器通道：2路；
傳感器通道：2路。
3. 實(shí)驗(yàn)過程
(1) 不同正極材料影響：電池連接導(dǎo)線后置于18650電池專用夾具中，設(shè)定樣品溫度為22℃，以1C倍率進(jìn)行恒流放電及恒壓恒流充電實(shí)驗(yàn)，充放電過程中儀器檢測(cè)電池吸放熱功率變化。
(2) 工作溫度影響：35Ah LPF方形電池連接導(dǎo)線后置于專用夾具中，分別設(shè)定樣品溫度為12℃、22℃和32℃，并以1C倍率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
(3) 充放電倍率影響：50Ah NCM軟包電池連接導(dǎo)線后置于專用夾具中，設(shè)定樣品溫度為22℃，并分別以0.2C、1C倍率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1. 不同正極材料電池充放電產(chǎn)熱功率
圖1 不同正極材料18650電池(a)充電與(b)放電過程產(chǎn)熱功率變化
表1 不同正極材料18650電池充放電產(chǎn)熱
如圖1a所示[3]，充電過程LFR電池的產(chǎn)熱功率最低，而ICR的產(chǎn)熱功率最大。同時(shí)充電至截止電壓后，產(chǎn)熱功率會(huì)隨充電電流迅速下降；而放電過程(圖1b)四種電池產(chǎn)熱功率單調(diào)上升，這是因?yàn)樵诜烹娺^程中電池內(nèi)阻逐漸增大。同時(shí)四種電池的產(chǎn)熱功率與產(chǎn)熱量大小順序與充電過程一致。上述結(jié)果符合四種電池的容量與正極材料熱穩(wěn)定性特征。
2. 不同溫度下電池充放電產(chǎn)熱功率
不同溫度下方形電池的充放電產(chǎn)熱數(shù)據(jù)如圖2所示。在較低的12℃下，電池充放電產(chǎn)熱功率最大。而在32℃下，電池產(chǎn)熱功率和產(chǎn)熱量最小，說明適宜的工作溫度可以明顯降低電池充放電產(chǎn)熱；另外，32℃下充電起始階段電池出現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸熱峰，電極反應(yīng)熱表現(xiàn)更為顯著，可逆熱在總放熱量中的占比提高。
圖2 不同溫度下35Ah的LFP方形電池(a)充電與(b)放電過程產(chǎn)熱功率與產(chǎn)熱量變化
3. 不同充放電倍率電池充放電產(chǎn)熱功率
最后，利用50Ah軟包電池研究了倍率的影響。如圖3a所示，在0.2C倍率下，充放電曲線都存在吸熱區(qū)間，且兩條曲線具有明顯的對(duì)稱性，說明此時(shí)電池產(chǎn)熱以電極反應(yīng)熱為主，可逆熱占比很高；而在1C倍率下，充放電產(chǎn)熱充放電曲線對(duì)稱性減弱，且未出現(xiàn)明顯的吸熱峰。這是由于在提高充放電倍率情況下，可逆反應(yīng)熱基本保持不變，但極化熱和焦耳熱等不可逆熱顯著提高。
圖3 (a)0.2C和(b)1C充放電倍率下充電與放電曲線對(duì)比
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
利用BIC-400A等溫量熱儀可以準(zhǔn)確測(cè)量不同工況下電池充放電產(chǎn)熱功率與產(chǎn)熱量變化，幫助研發(fā)人員深入理解和研究電池充放電產(chǎn)熱機(jī)理與特征, 并為電池?zé)峁芾硖峁┲匾涡詳?shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王峰,李茂德.電池?zé)嵝?yīng)分析[J].電源技術(shù),2010,34(3):288-291.
[2] Noboru Sato. [J]. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles. Journal of Power Sources, 99 (2001):70-77.
[3] 李慧芳,黃家劍,李飛,高俊奎.鋰離子電池在充放電過程中的產(chǎn)熱研究[J].電源技術(shù),2015,39(07):1390-1393+1481.
