锂离子电池充放电过程中的热特性研究

张志超 郑莉莉 戴作强 杜光超 张洪生

摘要：为了在某一恒定温度下准确研究电池充放电过程中的吸放热特性，本文以18650 LiCoO2电池为实验对象，采用等温量热仪和充放电柜对锂离子电池在充放电过程中的产热行为进行研究。研究结果表明，随着充/放电倍率的增大，电池放热速率明显升高，在20 ℃条件下，1 C倍率放电后期产热速率较0.3 C增加了530.5%;在同一倍率条件下，LiCoO2电池0 ℃与40 ℃相比，充电时间增加了10.2%，严重影响了LiCoO2电池的充电性能;在相同条件下，放电过程中电池产热量要远大于充电过程中电池产热量。本文为电动车用锂电池热安全研究提供了可靠的参考依据。

关键词：锂离子电池; 等温量热仪; 热特性; 放热速率; 放热量; 锂电池热安全

由于锂离子电池具有高比能量、高比功率和高充放电效率，所以对锂离子电池性能的研究引起了学者们的广泛关注[1-3]。由于动力锂电池在频繁充放电过程中内部将产生大量热量，如果产生的热量不能被及时散发掉，会导致电池组的工作温度过高，从而影响电池性能，甚至引发安全事故[4-5]。另外，锂离子电池在低温下存在脱嵌锂不平衡、循环倍率性能差、比容量低等问题[6-9]，因此，通过研究低温下锂电池的产热问题，对提高电池性能和安全性具有指导作用。目前，国内外关于锂电池产热方面的研究主要集中在分析外界环境温度、充放电倍率、老化程度等对电池温升的影响。罗英等人[10-13]研究了不同老化状态对锂离子电池产热的影响，表明电池温度随着循环次数和搁置时间的增加而增加;林春景等人[14-16]对不同温度下锂离子电池温升进行了实验研究，结果表明，随着外界环境温度的增加，电池温升越来越大;张亚徽等人[17-19]研究了充放电倍率对电池温升的影响。以上研究只是定性分析了各因素对锂电池温升的影响，而没有定量分析各因素的影响程度。因此，本文以18650LiCoO2电池为实验对象，采用等温量热仪和充放电仪，对锂离子电池充放电过程中的热行为进行研究，定量分析了环境温度及充放电倍率对锂离子电池产热量的影响。该研究为锂电池的安全应用奠定了基础。

1 实验方案

为了实现不同倍率及温度的测试，锂离子电池热特性实验平台如图1所示。主要包括电池、等温量热仪、电池充放电柜等设备。测试电池为某公司生产的18650LiCoO2电池，容量为2 000 mA·h，标称电压为3.7 V。为了确保电池正常充放电，根据GB/T31486—2015[20]对充放电仪编写如下程序：充电时，设置恒流充电终止电压为4.2 V，恒压充电终止电流为10 mA;放电时，设置恒流放电终止电压为3.0 V。等温测量仪的作用是记录充放电过程中电池的吸放热数据及提供实验过程中所需要的环境温度，以此来模拟锂离子电池在不同环境温度下真实的吸放热状态。电池充放电设备为青岛美凯麟科技股份有限公司的MCT8-50-05充放电仪。实验过程中，锂离子电池置于isoBTC等溫量热仪（设备可使用温度范围：-40～200 ℃，温度精度为0.01 ℃）内，在其表面布置温度传感器和功率加热片（将电池温度维持在设定温度），实时采集实验数据。

2 锂离子电池放电热特性研究

2.1 放电倍率的影响

为了研究放电倍率对电池吸放热特性的影响，本文以0.3，0.5，1 C的放电倍率，分别对LiCoO2电池进行放电。首先将电池放到等温量热仪中，控制电池温度为20 ℃条件下，将电池充电至满电状态，搁置1 h，然后以0.3 C倍率进行恒流放电，放电截止电压3.0 V，重复上述步骤完成0.5 C及1 C倍率放电实验。记录不同倍率放电过程中锂离子电池的吸放热数据，电池放热功率及放热量与时间变化曲线如图2所示。

由图2可以看出，锂离子电池的放热速率随着放电倍率的增加明显上升。0.3 C放电过程的放热速率从0上升到0.18 W，0.5 C放电过程的放热速率从-0.08 W上升0.33 W，1.0 C放电过程的放热速率从0.01 W上升到1.05 W，主要原因是放电倍率增大，导致电池的生热功率增大;0.3 C放电时，锂离子电池的放热速率基本稳定，且数值较小，随着放电进行到后期（SOC≤10%），由于此时电池的极化内阻增加，导致放热速率小幅增加。

由图2还可以看出，0.5 C放电时，放电初期电池放热功率为负值，即放电初期电池内部存在一定的吸热反应，直到放电进行4 min后，电池由吸热状态转变为放热状态;放电中期（10%

为了研究充放电倍率对后期极化内阻产热的影响，取后10 min电池平均放热功率进行分析，不同倍率时，电池平均放热功率如表1所示。由表1可以看出，0.3 C放电后期，电池平均放热速率仅为0.143 W;而1 C放电后期，电池平均放热速率为0.902 W，增幅530.5%，因此，电池以大倍率放电时，需采取一定的冷却措施。

2.2 环境温度的影响

为了研究外界环境温度对LiCoO2电池吸放热的影响，将电池放到等温量热仪中，并控制电池温度为20 ℃，通过充放电仪，将LiCoO2电池充至满电状态，并静置1 h，再在某一温度下进行恒流放电。在不同环境温度下，电池放热功率及放热量与时间变化曲线如图3所示。

在不同环境温度和不同放电倍率下，锂离子电池平均放热量如表2所示。由图3和表2可以看出，在同

一放电倍率下，随着温度降低，电池的放热速率虽然不断增大，但是总的放热量可能会减小。由图3c可以看出，在20 ℃下，电池产热总量为1.47 kJ，而在0 ℃下，电池放热量仅为0.48  kJ，这是因为随着环境温度降低，电池的放电时长不断减小;在同一放电倍率下，LiCoO2电池放电初期的平均放热量随着温度的下降而增加。

为了研究放电初期LiCoO2电池的平均放热量，取前20 min平均放热量变化情况作为参考，以0.3 C倍率放电为例，0.3 C 的LiCoO2电池平均放热量如表3所示。

由表3可以看出，同一放电倍率下，环境温度与电池平均放热量成负相关关系，即环境温度越低，锂离子电池的平均放热量越高。

3 锂离子电池充电过程热特性研究

3.1 充电倍率的影响

为研究LiCoO2电池吸放热特性随充电倍率的变化情况，以室温20 ℃为例，实验过程如下：首先使电池以0.3 C倍率在室温下将电量放空，静置1 h;再以某一倍率将电池以先恒流再恒压的方式充满。不同充电倍率下，电池放热功率及放热量与时间变化曲线如图4所示。由图4可以看出，恒流充电阶段放热量增加较快，恒压阶放热量增加缓慢。这是因为LiCoO2电池的产热主要包括可逆反应热和不可逆反应热，恒流阶段充电电流较大，电池由于克服内阻产生的不可逆热增加，导致电池放热量较大。由于恒压阶段电流小，且时间较短，故恒压阶段电池放热量变化不太明显。

恒流充电阶段，LiCoO2电池的放热总量随充电倍率的增大而增大。0.3 C充电时，最高放热量为0.65 kJ;0.5 C充电时，最大放热量为0.77 kJ;1 C充电时，最大放热量为1 kJ。相同倍率下，充电过程中LiCoO2电池的放热总量比放电过程小。先恒流再恒压充电过程中，恒流阶段产热量比恒压阶段产热量多，所以恒流充电阶段是LiCoO2电池内部热量积聚的重要阶段。

3.2 环境温度的影响

为研究充电过程中LiCoO2电池产热与环境温度的关系，将电池置于不同环境温度进行充电实验，由于整个充电阶段LiCoO2电池的放热量较小，故以0.3 C倍率为例进行恒流-恒压充电实验，电池放热功率及放热量与时间变化曲线如图5所示。

由图5可以看出，同一充电倍率下，LiCoO2电池的放热速率随温度的降低而增大。40 ℃充电时的最大放热速率为0.07 W，20 ℃时的最大放热速率为0.09 W，而0 ℃时的最大放热速率为0.2 W;恒流充电过程中，同一充电倍率下，环境温度越高，LiCoO2电池放出的总热量越少，甚至当电池达到一定高的温度，恒流充电初期会出现短暂的吸热反应。由图5还可以看出，充电时长与温度呈负相关关系，即环境温度越低，充电时间越长，0 ℃与40 ℃相比，充电时间由197 min增加到217 min，增加10.2%，严重影响LiCoO2电池的充电性能。

4 结束语

本文采用等温量热仪和充放电柜等设备，测量了电池在不同条件下的吸放热特性，并对比分析了环境温度及充放电倍率对电池吸放热特性的影响。研究结果表明，通过对比电池充放电过程中产热发现，相同条件下，当电池充电时，恒流充电阶段电池最大产热速率总比恒压阶段大;当电池放电时，由于放电后期极化内阻产热不断增加，导致电池最大产热速率总出现在放电末期，在整个充放电过程中，LiCoO2电池的放热量比充电过程大;环境温度越低，锂离子电池充/放电过程中的放热量越大。通过对比高温（40 ℃）与低温（0 ℃）电池产热速率变化发现，温度降低对电池产热速率影响更大;同时，随着温度的降低，电池充电效率明显降低，0 ℃与40 ℃相比，LiCoO2电池充电时长增加了10.2%，严重影响了电池的充电性能，所以低温充电时，应适当对电池预热以提高电池的充电性能;充放电倍率对锂离子电池放热速率具有显著的影响，充放电倍率越大，电池放热速率峰值越高。LiCoO2电池1C充放电最大放热速率较0.3C增幅分别为350%和460%，所以LiCoO2电池以较大倍率充放电时，须采取相应的冷却措施;该研究分析了不同阶段LiCoO2电池的吸放热特性，为LiCoO2体系电池的建模提供了理论依据，实验所用方法，可为其他类型锂电池的相关研究提供参考。

参考文献：

[1] 王春梅. 商業用手机锂离子电池高效化成和充电方法研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2015.

[2] 孙冬， 许爽， 李超， 等. 锂离子电池荷电状态估计方法综述[J]. 电池， 2018， 48（4）： 284-287.

[3] 闫金定. 锂离子电池发展现状及其前景分析[J]. 航空学报， 2014， 35（10）： 2767-2775.

[4] 杜小红， 李凡群. 汽车用动力锂电池研究[J]. 电源技术， 2014， 38（7）： 1240-1242.

[5] 陈天雨， 高尚， 冯旭宁， 等. 锂离子电池热失控蔓延研究进展[J]. 储能科学与技术， 2018， 7（6）： 1030-1039.

[6] 赵世玺， 郭双桃， 赵建伟， 等. 锂离子电池低温特性研究进展[J]. 硅酸盐学报， 2016， 44（1）： 19-28.

[7] 袁华， 何云蔚， 艾常春. 钛酸锂作为锂离子电池负极材料的改性进展[J]. 武汉工程大学学报， 2014， 36（8）： 20-26.

[8] 杨莹莹， 魏学哲， 刘耀锋. 车用锂离子电池低温性能研究[J]. 机电一体化， 2016， 22（6）： 30-35， 46.

[9] Petzl M， Kasper M， Danzer M A. Lithium platingin a commercial lithiumion batterya lowtemperatureaging study[J]. Journal of Power Sources， 2015， 275： 799-807.

[10] 罗英， 吕桃林， 张熠霄， 等. 老化对磷酸铁锂电池在绝热条件下的产热影响[J]. 储能科学与技术， 2017， 6（2）： 237-242.

[11] 毛亚， 白清友， 马尚德， 等. 循环老化对锂离子电池在绝热条件下的产热及热失控影响[J]. 储能科学与技术， 2018， 7（6）： 1120-1127.

[12] 丁黎， 李帆， 蔡文嘉， 等. 锂离子电池的老化特性分析[J]. 电源技术， 2019， 43（1）： 77-80.

[13] 宋杨， 苏来锁， 王彩娟， 等. 锂离子电池老化研究进展[J]. 电源技术， 2018， 42（10）： 1578-1581.

[14] 林春景， 李斌， 常国峰， 等. 不同温度下磷酸铁锂电池内阻特性实验研究[J]. 电源技术， 2015， 39（1）： 22-25.

[15] 李海英， 贾永丽， 张丹， 等. 动力磷酸铁锂电池产热特性研究[J]. 电源技术， 2016， 40（5）： 968-970， 1083.

[16] 张亚徽， 高靖斌， 董呈杰. 锂离子动力电池充放电热响应实验研究[J]. 价值工程， 2018， 37（3）： 160-162.

[17] 马龙， 文华. 锂离子电池温度变化过程仿真与验证[J]. 储能科学与技术， 2018， 7（4）： 712-717.

[18] 刘萌， 张超. 不同放电倍率下锂离子电池热效应分析研究[J]. 工业加热， 2018， 47（4）： 1-3， 11.

[19] Yasir A Q， Tomi L， Juha K， et al. Heat generation in high powerprismatic Liion battery cell with LiMnNiC002 cathode material[J]. International Journal of Energy Research， 2014， 38： 1424-1437.

[20] 中国汽车技术研究中心. 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法： GB/ T 31486—2015 [S]. 北京： 中国标准出版社， 2015： 4-5.