Исследование эффективности заряда-разряда при высокой и низкой температуре литий-ионного аккумулятора
Благодаря высокой плотности энергии, гибкости конструкции, длительному сроку службы, отсутствию эффекта памяти, низкой скорости саморазряда и отсутствию загрязнения окружающей среды литий-ионные аккумуляторы все шире используются в мобильном электронном оборудовании, электромобилях, национальной оборонной промышленности и другие области высоких технологий. Однако из-за суровых условий эксплуатации в электромобилях, аэрокосмической и военной областях литий-ионные батареи должны использоваться в широком диапазоне температур, что привлекло большое внимание из-за их характеристик при высоких и низких температурах. В этой статье в качестве объекта исследования используется усовершенствованная модель литий-ионного аккумулятора, полученная в результате отечественных коммерческих научных исследований, и проверяются ее характеристики в условиях высоких и низких температур, что дает производителям определенные справочные данные для улучшения технологии аккумуляторов.
1. Эксперимент
1.1 инструменты и материалы
Экспериментальные инструменты: высокоточная система для проверки работоспособности аккумуляторов, взрывозащищенная испытательная камера для высоких и низких температур ly-2480, взрывозащищенная испытательная камера для высоких и низких температур ly-2800.
Экспериментальная батарея: бытовая аккумуляторная батарея, номинальное напряжение 37 В, номинальная емкость 11 Ач.
1.2 экспериментальные методы и условия
(1) Подготовка перед испытанием:
а. Аккумулятор, использованный в эксперименте, стабильно циклировался 5 раз при комнатной температуре (23 ± 2) ℃. Условия заряда и разряда: зарядить аккумулятор до 4,2 В постоянным током 3500 мА и постоянным напряжением 350 мА; Отложите на 1 час между зарядкой и разрядкой; Разрядка до 27 В постоянным током 3 500 мА.
б. Аккумулятор выдерживали при -20 ℃ и 65 ℃ в течение 6 часов, а затем проводили эксперименты по зарядке и разрядке при разных температурах (- 20 ℃ и 65 ℃).
(2) Высокая и низкая температура заряда и разряда
Поместите аккумулятор в высокотемпературный взрывозащищенный бокс (65 ℃) или в бокс регулирования температуры и влажности (- 20 ℃), зарядите его до 42 В постоянным током 3500 мА и постоянным напряжением 350 мА; Отложите на 1 ч между зарядкой и разрядкой; Разряд до 2 7 В постоянным током 3500 мА.
2. Экспериментальные результаты и обсуждение
1.1 Низкотемпературные зарядно-разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора.
Кривая заряда аккумулятора при комнатной температуре (23 ± 2) ℃ и низкой температуре (- 20 ℃) показана на рисунке 1.
В таблице 1 показаны значения зарядной емкости при постоянном токе и постоянном напряжении, а также общая зарядная емкость батареи при комнатной температуре и низкой температуре. Из рисунка 1 и таблицы 1 видно, что по сравнению с процессом зарядки при нормальной температуре напряжение на клеммах батареи в процессе зарядки постоянным током увеличивается при низкой температуре (возможно, потому, что поляризация батареи относительно велика в условиях низкой температуры). , и соответствующее изменение напряжения относительно велико), время зарядки постоянным током уменьшается, а время зарядки постоянным напряжением значительно увеличивается, что приводит к увеличению среднего зарядного напряжения батареи, снижению эффективности зарядки. При комнатной температуре отношение зарядной емкости при постоянном токе к общей зарядной емкости составляет 52%; Когда температура падает до - 20 ℃, отношение зарядной емкости постоянного тока к общей зарядной емкости составляет всего 6,2%. Анализ причины: при низкой температуре снижается химическая активность активных веществ в аккумуляторе; Часть растворителя в электролите затвердевает, что приводит к уменьшению количества лит-миграции и уменьшению электропроводности; В процессе заряда аккумулятора происходит отложение большого количества металлического лития, увеличивается концентрационная поляризация, быстро увеличивается напряжение. что приводит к уменьшению количества лит-миграции и уменьшению электропроводности; В процессе заряда аккумулятора происходит отложение большого количества металлического лития, увеличивается концентрационная поляризация, быстро увеличивается напряжение. что приводит к уменьшению количества лит-миграции и уменьшению электропроводности; В процессе заряда аккумулятора происходит отложение большого количества металлического лития, увеличивается концентрационная поляризация, быстро увеличивается напряжение.
Кривые разряда аккумулятора при комнатной температуре (23 ± 2) ℃ и пониженной температуре - 20 ℃ показаны на рисунке 2.
Из рисунка видно, что при -20 ℃ напряжение на клеммах литий-ионного аккумулятора при разряде уменьшается, среднее напряжение разряда уменьшается, а платформа напряжения разряда снижается быстрее, чем при комнатной температуре. Это может быть связано с уменьшением ионной проводимости электролита при низкой температуре, что приводит к увеличению омической поляризации, концентрационной поляризации и электрохимической поляризации при низкой температуре, что проявляется в виде снижения разрядного напряжения на разрядной кривой аккумулятора. Что касается его емкости, из-за низкой эффективности зарядки при низкой температуре, соответственно снижается и его разрядная емкость. С микроскопической точки зрения батареи зарядка при низкой температуре (< 0 ℃) приведет к восстановлению ионов лития в дендриты металлического лития.
Кривые заряда аккумулятора при комнатной температуре (23 ± 2) ℃ и высокой температуре 65 ℃ показаны на рисунке 3.
В таблице 2 показаны значения постоянного тока, зарядной емкости при постоянном напряжении и полной зарядной емкости батареи при комнатной температуре и низкой температуре.
Из рис. 3 и таблицы 2 видно, что по сравнению с процессом зарядки при нормальной температуре зарядное напряжение батареи при высокой температуре быстро возрастает до предельного зарядного напряжения; Время зарядки постоянным током явно сокращается, в то время как время зарядки постоянным напряжением почти равно нулю, и весь процесс зарядки быстро заканчивается. После хранения батареи при температуре 65 ℃ в течение определенного периода времени заряженная емкость в этих условиях составляет всего 20,8% от нормальной температуры. Это может быть связано с изменением пленки SEI на поверхности положительных и отрицательных материалов батареи при зарядке при высокой температуре, некоторыми побочными реакциями электролита при высокой температуре, уменьшением количества активного лития и некоторыми необратимыми изменениями. во внутренней структуре батареи, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления батареи. В то же время некоторые добавки в аккумуляторе способствуют улучшению характеристик аккумулятора при комнатной температуре, но могут не иметь такого же эффекта при высокой температуре.
Кривые разряда батареи при комнатной температуре (23 ± 2) ℃ и высокой температуре 65 ℃ показаны на рисунке 4.
Из рисунка видно, что при 65 ℃ начальное напряжение разряда литий-ионного аккумулятора значительно снижается, а время разряда уменьшается; В то же время зарядная емкость снижается из-за снижения приемной емкости зарядки, поэтому разрядная емкость низкая. Затем батарею поместили на некоторое время при комнатной температуре. После того, как он стабилизировался, был проведен эксперимент по зарядке и разрядке. Было обнаружено, что изменения, вызванные высокой температурой, носят серьезный необратимый характер. Это может быть связано с разложением электролита аккумуляторной батареи в условиях высоких температур или с необратимыми изменениями в структуре материалов аккумуляторных батарей, что приводит к снижению зарядного и разрядного напряжения платформы и емкости в условиях высоких температур. После того, как батарея заряжается и разряжается при высокой температуре, ее помещают при комнатной температуре и наблюдают без деформации, взрыва и других явлений. Эти показатели соответствуют требованиям аккумуляторных стандартов.
3. Заключение
В этой статье тестируются характеристики заряда и разряда батареи при низкой температуре - 20 ℃ и высокой температуре 65 ℃. Исследования показывают, что форма батареи не меняется после того, как ее отложили в сторону при низкой температуре - 20 ℃, а зарядная емкость при низкой температуре составляет 83% от емкости при нормальной температуре; После того, как батарея отложена при температуре 65 ℃, емкость, заряженная при высокой температуре, составляет всего 20,8% от нормальной температуры, и емкость не может быть восстановлена после восстановления нормальной температуры батареи. Можно видеть, что характеристики зарядки и разрядки батареи при низкой температуре лучше, чем характеристики при высокой температуре, но оба хуже, чем характеристики зарядки и разрядки при нормальной температуре.