等溫量熱儀和絕熱加速量熱儀是研究鋰電池充放電產(chǎn)熱的兩種主流儀器。本文利用仰儀科技BIC-400A電池等溫量熱儀以及BAC-420A電池絕熱量熱儀在不同溫度和不同倍率條件下對(duì)電池充放電產(chǎn)熱進(jìn)行測(cè)試，總結(jié)了兩種方法量熱結(jié)果對(duì)比的一般性規(guī)律。
前言
鋰離子電池在充放電過(guò)程中存在明顯的熱效應(yīng)，包括電極反應(yīng)熱、極化熱、焦耳熱和副反應(yīng)熱等[1]。這些熱量使電池內(nèi)部溫度上升，一旦溫度過(guò)高將影響電池性能和壽命，甚至?xí)?dǎo)致電池發(fā)生熱失控。因此，電池充放電產(chǎn)熱數(shù)據(jù)是進(jìn)行電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)的必要參數(shù)。目前，基于功率補(bǔ)償?shù)葴亓繜嵩淼牡葴亓繜醿x和基于絕熱追蹤原理的絕熱加速量熱儀是測(cè)量電池充放電產(chǎn)熱的主要儀器。如圖1所示，等溫量熱儀能夠控制電池溫度保持恒定，并利用電功率對(duì)電池產(chǎn)熱功率進(jìn)行等效補(bǔ)償；絕熱量熱儀能夠進(jìn)行電池溫度追蹤，獲得電池在充放電過(guò)程中的絕熱溫升曲線(xiàn)和比熱容數(shù)據(jù)，并計(jì)算產(chǎn)熱量。本文重點(diǎn)比較了兩種方法在量熱結(jié)果上的差別性。
圖1 (a)等溫量熱儀和(b)絕熱加速量熱儀檢測(cè)原理
實(shí)驗(yàn)部分
1. 樣品準(zhǔn)備
18650電池（NCM，2000mAh）*2
方形電池（LFP，50Ah）*2
6061標(biāo)準(zhǔn)鋁塊
2. 實(shí)驗(yàn)條件
絕熱量熱電池起始溫度：30°C；
等溫量熱電池溫度：30°C、50°C；
電池充放電方式：恒壓恒流充電、恒流放電；
充放電倍率：0.33C、0.5C、1C；
比熱容溫升速率：0.2°C/min。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1. 電池比熱容實(shí)驗(yàn)
圖2 電池比熱容測(cè)量結(jié)果
利用差式功率補(bǔ)償原理，絕熱量熱儀可測(cè)定電池比熱容的數(shù)據(jù)，本文根據(jù)電池充放電過(guò)程的溫度變化范圍，測(cè)定該溫區(qū)內(nèi)的平均比熱容，用于計(jì)算電池放熱量，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。
2. 18650電池量熱結(jié)果
圖3 18650電池在(a,b)0.5C和(c,d)1C倍率下電池(a,c)充電和(b,d)放電產(chǎn)熱功率測(cè)量結(jié)果對(duì)比
如圖3所示，等溫與絕熱兩種儀器測(cè)定的產(chǎn)熱功率變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明上述兩種測(cè)試方法均能夠反映充放電過(guò)程中電池內(nèi)阻和熵變系數(shù)變化規(guī)律。另外，可以發(fā)現(xiàn)等溫量熱測(cè)定熱流的滯后性略大，這與等溫相對(duì)復(fù)雜的裝樣方式有關(guān)。30℃起始溫度下充放電產(chǎn)熱量的測(cè)量結(jié)果如表1所示，4種工步下等溫量熱值均高于絕熱。0.5C和1C下電池的絕熱溫升分別為15°C和30°C左右，在該范圍內(nèi)，溫度升高有利于降低電池極化內(nèi)阻，減少電池產(chǎn)熱。通過(guò)圖3也可以看出，絕熱法測(cè)定的功率曲線(xiàn)都介于30°C和50°C兩個(gè)溫度條件下測(cè)定的等溫量熱曲線(xiàn)之間。
表1 18650電池充放電產(chǎn)熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
3. 方形電池量熱結(jié)果
圖4 0.33C倍率下方形電池在(a)充電和(b)放電過(guò)程產(chǎn)熱功率測(cè)量結(jié)果對(duì)比
表2 0.33C倍率下等溫與絕熱測(cè)定的產(chǎn)熱量對(duì)比
觀察表2及圖4，在0.33C這一較低的倍率下進(jìn)行充電，絕熱法測(cè)定的產(chǎn)熱量高于等溫的結(jié)果。這可能是由于在充電初始階段出現(xiàn)明顯的吸熱特征，而絕熱量熱儀沒(méi)有制冷功能，無(wú)法對(duì)電池降溫過(guò)程進(jìn)行快速的溫度追蹤，所以可能出現(xiàn)電池吸熱無(wú)法有效檢出、測(cè)量結(jié)果偏大的情況。
結(jié)論
1.利用等溫量熱儀和絕熱量熱儀均能夠有效測(cè)定電池充放電產(chǎn)熱。兩種方法測(cè)定的熱功率變化趨勢(shì)具有較好的一致性，但由于兩者對(duì)電池的控溫方式不同，產(chǎn)熱量的結(jié)果存在差異性；
2.當(dāng)電池最高溫度未明顯超過(guò)正常使用溫度的情況下，利用絕熱法測(cè)定的產(chǎn)熱量會(huì)小于等溫法；
3.對(duì)于低倍率充電等導(dǎo)致電池出現(xiàn)明顯吸熱特征的工況，絕熱法測(cè)定的產(chǎn)熱量可能將大于等溫法。
