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鋰離子電池最大充電電流與溫度、SoC等因素的關(guān)系

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年10月25日  

隨著各國相繼推出燃油車禁售時間表,近日工業(yè)和信息化副部長辛國斌在2017中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展(泰達)國際論壇上表示全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在重構(gòu),許多國家紛紛調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略,在新能源、智能互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加快布局。目前我國工信部也啟動了相關(guān)研究,制定停止生產(chǎn)銷售傳統(tǒng)能源汽車時間表。


相比于傳統(tǒng)的燃油車,新能源汽車不產(chǎn)生任何尾氣排放,在環(huán)保上具有天然優(yōu)勢,但是新能源汽車在使用的便捷性上仍然有待提高。首先是充電樁的數(shù)量不足,導(dǎo)致充電困難。其次充電時間較長,導(dǎo)致電動汽車不適合長途旅行。前者可以通過基礎(chǔ)設(shè)施等發(fā)展得到解決,后者則需要鋰離子電池技術(shù)的進步才能克服。


我們知道相比于快速放電性能,鋰離子電池在快速充電方面還有很大的差距,這其中的主要原因是在Li+在電解液中是以溶劑化的狀態(tài)存在的,在擴散通過SEI膜并嵌入到石墨的內(nèi)部時,Li+需要首先進行去溶劑化過程,而這一過程是需要消耗能量的,這就在SEI/電解液界面處形成了一道無形的勢壘,阻礙Li+的快速擴散和嵌入道石墨負極內(nèi)部。而放電過程則正好相反,Li+擴散進入到電解液中,發(fā)生溶劑化,并不需要消耗能量,因此擴散鋰離子電池的放電速度要遠遠高于充電速度。


為了實現(xiàn)電動汽車快速充電而不對鋰離子電池的電性能造成損害,就需要對動力電池可接受的最大充電電流進行研究。過大的電流快速充電常見的后果是金屬鋰在負極析出,特別是在低溫下,石墨負極的動力學(xué)條件變差,更容易導(dǎo)致金屬鋰在石墨負極的表面析出。


鋰離子電池正負極材料充電過程中一般都會有一定的體積膨脹,放電的過程,則會發(fā)生體積收縮,但是當(dāng)負極析出金屬鋰時,特別是當(dāng)部分的金屬鋰為不可逆析出時,則鋰離子電池的體積也會發(fā)生不可逆的膨脹,因此可以通過測量電池厚度變化對負極金屬鋰析出的行為進行判斷。德國戴姆勒公司的研發(fā)部門近日通過測量鋰離子電池在充電過程中的厚度變化,研究了離子電池最大充電電流與充電量、SoC和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。


關(guān)于鋰離子電池厚度的研究,采用的測試方法的精度一般在1um左右,而在戴姆勒公司的研究中,F(xiàn). Grimsmann等則使用了精度高于10nm的測試工具對充電過程中鋰離子電池厚度變化進行了研究。借助于如此之高的精度,研究者們可以對極小的充電量下鋰離子電池的厚度變化進行測量,這一點在電動汽車的制動過程中的能量回收來說具有很大的意義。


實驗中采用的電池為能量型的20Ah方形NMC/石墨鋰離子電池,實驗在控溫箱中進行,實驗溫度分別控制在0,10和25 ℃,這都是電動汽車常見的使用溫度,實驗的電池的SoC分別為12.5%、50%和75%,基本上覆蓋了動力電池的使用范圍。下圖為SoC為12.5%,溫度10℃,充電量為1.25%時電池在不同的充放電倍率下,電池厚度變化的信息。從圖上可以看到,在小電流時,在鋰離子電池完成放電時,電池的厚度還能夠回到初始值,但是當(dāng)充電電流達到4C以上時,電池的厚度就無法恢復(fù)到初始厚度,而這部分增加的厚度就是因為金屬鋰在負極表面析出造成的,并且電流越大,析出的金屬鋰越多,鋰離子電池厚度增加的也就越多。所以此時,保證電池不析出金屬鋰的電流就在3C-4C之間。


下圖為SoC為12.5%的電池,不同的充電量下(1.25%、2.5%、5%和87.5%),最大電流與環(huán)境溫度的關(guān)系,從圖上可以看到,充電量越多,則最大充電電流越小,溫度越低,充電電流越小。同時我們注意到,雖然四條曲線雖然電流差異很大,但是幾條曲線的斜率基本上是一致的。


下圖為SoC為12.5%的電池,在不同的溫度下,最大充電電流與充電量之間的關(guān)系,從圖上可以注意到,充電量越小,則最大充電電流越大,溫度越高,最大充電電流越大。


下圖為SoC為12.5%的電池,在溫度為10℃的條件下,最大充電電流與充電電量之間的關(guān)系,可以看到,此時充電電量與最大充電電流之間幾乎是呈現(xiàn)線性相關(guān)的關(guān)系的,關(guān)系式如下所示,其中a=4.3。這意味著小充電電量,可以采用更大的充電電流,例如當(dāng)充電電量為0.1%時,對于SoC為12.5%,溫度為10℃的電池,最大充電電流可達13.7C。


下圖為25℃,不同的充電電量下(1.25%、2.5%和5%),最大充電電流與電池SoC之間的關(guān)系,從圖上可以看到,隨著電池SoC狀態(tài)的增加,鋰離子電池的最大充電電流也在降低。


從上述分析中可以看到,電池的SoC狀態(tài),環(huán)境溫度、充電電量等都對鋰離子電池的最大充電電流有著較大的影響,環(huán)境溫度越高、充電量越小、電池的SoC狀態(tài)越低,則可以接受的充電電流越大,反之則越小。因此在鋰離子電池充電控制過程中需要對這些參數(shù)進行精確測量,從而對最大充電電流進行控制,避免電流過大對鋰離子電池造成不可逆的傷害。


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