功率型锂离子动力电池的高低温容量特性

王元奎，魏平芬

(1.中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部，云南昆明650118；2.海军驻昆明705研究所军事代表室，云南昆明650118)

功率型锂离子动力电池的高低温容量特性

王元奎1，魏平芬2

(1.中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部，云南昆明650118；2.海军驻昆明705研究所军事代表室，云南昆明650118)

放电容量和放电倍率是功率型锂离子动力电池的重要特性指标，均与环境温度紧密相关。实验结果表明，功率型锂离子动力电池的高倍率放电容量随温度的降低而迅速下降，随温度的升高基本保持不变；低温下的放电电压平台明显下降，随温度的升高有所上升，低温下的电压变化速度大于高温；在常温条件下，放电容量随倍率的升高而降低，但变化速度不如温度引起的变化明显。

锂离子电池；环境温度；容量；倍率

随着科技的发展，锂离子电池在电动汽车、水中兵器、空中武器、临近空间等运用场合得到了广泛的运用，同时对锂离子动力电池的高倍率放电、长时间放电、极端环境温度下放电性能提出了更高的需求。根据实际使用需求，锂离子电池发展为能量型和功率型两种：能量型适合于低倍率放电，功率型适合于高倍率放电。锂离子电池的放电性能与放电倍率、环境温度直接相关[1-5]，特别是环境温度还直接关系着电池组的使用安全性、输出电压特性以及电池内阻特性[6-7]，这些因素又直接影响着成组工程应用的使用条件与使用环境。因此，对锂离子电池在不同环境温度下放电容量与倍率之间的关系开展实验研究与分析，找出工程应用的边界条件，对电池组使用条件的制定和成组参数的确定有较高的参考价值。本文对功率型锂离子动力电池的高低温容量特性进行放电实验，并对获取的实验数据进行分析与研究，最后给出了相关结论。

1 实验对象

实验对象为型号15DR(标称3.7 V/15.2 Ah)的功率型锂离子动力电池(厦门产)，正极为三元(镍钴锰)材料体系，单体电芯容量为17.6 Ah(1倍率放电至截止电压3.0 V)。在常温下以0.5恒流充电至4.20 V，4.20 V恒压至0.05结束充电，代表性的充电曲线如图1所示。采用电子负载和高低温实验箱，完成充电后，在对应测试环境温度下搁置2 h后进行倍率放电容量测试，分别进行不同环境温度下高倍率放电容量、室温环境下不同倍率放电容量的测试。

图1 单体电池充电曲线

2 高低温特性

2.1 常温特性

图2 常温倍率放电容量特性曲线

放电过程中对电池的极耳、电池主体进行温升监测，电池主体的温升明显高于极耳。图3为常温倍率放电电池主体温升曲线，随着放电倍率的升高，电池主体温升速率变大，20放电最高温度为75℃，出现在放电结束后的搁置期。

图3 常温倍率放电温升曲线

2.2 低温特性

图4 低温倍率放电容量特性曲线

图5为低温倍率放电电池主体温度变化曲线，随着环境温度的降低，电池主体温升速率变大，最高温度同样出现在放电结束后的搁置期。主要是由于在低温下，电导率相对常温时变低，电池内部的化学反应速率变慢，电极的反应活性降低，Li+的扩散速率下降，电池内部阻抗增大，导致电极的嵌脱锂能力降低，从而造成放电电压平台降低，放电容量随着温度降低而急剧下降。

图5 低温倍率放电温升曲线

2.3 高温特性

图6 高温倍率放电容量特性曲线

图7为高温倍率放电电池主体温度变化曲线，随着环境温度的升高，电池主体温升速率变小，最高温度同样出现在放电结束后的搁置期。

图7 高温倍率放电温升曲线

3 结论

本文通过大量的实验数据得出了功率型锂离子动力电池的高倍率放电容量、放电电压与温度之间的关系，分析放电容量特性曲线、温升曲线可以得出以下结论：

(2)环境温度对锂离子电池的高倍率放电容量影响很大，低温时放电容量迅速衰减，高温时放电容量基本不变；

(3)环境温度是影响锂离子电池高倍率放电平台电压的关键因素，低温时放电平台电压下降明显，高温时放电平台电压有所上升，但其变化速度小于低温时；

(4)电池成组运用时，需要充分考虑使用环境条件，根据使用环境温度下的放电平台电压确定成组参数。

环境温度是影响功率型锂离子动力电池高倍率放电的关键，同时也是锂离子电池工程运用的瓶颈技术之一，制约着锂离子电池在极端环境温度条件下的使用。这些结论明确了功率型锂离子动力电池高倍率放电时的高低温特性，对于电池工程运用成组设计及热管理具有重要意义。

[1]李哲，韩雪冰，卢兰光，等.动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J].机械工程学报，2011(18)：115-120．

[2]桂长青.温度对LiFePO4锂离子动力电池的影响[J].电池，2011 (2)：88-91.

[3]赵鸿飞，邓爽，汝坤林，等．高低温对磷酸铁锂动力锂离子电池性能的影响[J]．电池，2012(2)：88-90．

[4]杜晓莉，邓爽，王宏伟．锰酸锂动力电池高低温性能研究[J]．电池工业，2012(3)：147-149．

[5]史瑞祥，夏晴，杨杰，等．电动汽车用锂离子动力电池低温性能研究[J]．客车技术与研究，2012(2)：52-54．

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[7]张志杰，李茂德．锂离子电池内阻变化对电池温升影响分析[J]．电源技术，2010(2)：128-130．

High/low temperature capacity characteristics of power lithium-ion battery

The characteristics of power Lithium-ion batteries were closely connected to ambient temperature，such as discharge capacity and rate.The experiments results show that the discharge capacity in high rate of power lithium-ion battery drops sharply when the temperature goes down,only slightly change appears when the temperature goes up; the discharge voltage drops sharply under low temperature,and increases with a relatively slower rate than under low temperature when the temperature goes up;with normal temperature,the discharge capacity decrease with the rise of discharge rate,and the change rate is not obvious such as the affect by temperature.

lithium-ion battery;ambient temperature;capacity;rate

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2079-03

2015-03-15

王元奎(1978—)，男，云南省人，高级工程师，硕士生，主要研究方向为电动力技术。