第第鋰電池工作原理及特性試驗分析報告目錄TOC\o"1-3"\h\u20308鋰電池工作原理及特性試驗分析報告 1114351.1鋰電池工作原理與基本參數(shù) 1180961.1.1工作原理 1220691.1.2基本參數(shù) 1296561.2鋰電池測試平臺 3183131.3鋰電池特性測試 4212751.3.1放電特性實驗 4141131.3.2開路電壓特性實驗 51.1鋰電池工作原理與基本參數(shù)1.1.1工作原理鋰電池是指電池正極材料采用鋰的化合物，負(fù)極材料通常采用石墨化碳材料的一種電池，由電極、薄膜、電解液和外殼組成。通常所見的正極材料氧化物，譬如鈷酸鋰(LiCoO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)居多，是一種典型的層狀結(jié)構(gòu)。鋰電池的電解液通常為烷基碳酸酯與其他添加劑組成的混合溶劑，采用的隔膜是三層隔膜，外殼選用鋁制材料。鋰電池能夠得到廣泛應(yīng)用的原因是能夠?qū)崿F(xiàn)電池的循環(huán)充放電，并且這一充放電過程是完全可逆的，鋰離子在電池正負(fù)極之間可以實現(xiàn)嵌入和脫嵌，保證了鋰電池良好的性能[38]。鋰電池的充電過程是正極的鋰離子向負(fù)極移動的過程，正極鋰離子向負(fù)極移動并嵌入得越多，那么充電容量越高。放電的過程正好相反，負(fù)極的鋰離子向正極移動，越充分表示放電越徹底。在這一充放電過程中，鋰離子幾乎沒有損耗，保證了電池可以實現(xiàn)充放電的循環(huán)從而反復(fù)使用，能夠穩(wěn)定地發(fā)揮鋰電池的功效。1.1.2基本參數(shù)鋰電池的充放電過程是一個較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，常常通過對鋰電池電壓、內(nèi)阻和容量等相關(guān)基本參數(shù)的分析來研究其充放電過程，下面進(jìn)行簡單介紹：（1）鋰電池電壓鋰電池的電壓包括開路電壓、工作電壓、充電負(fù)荷滿狀態(tài)時的電壓和放電負(fù)荷滿狀態(tài)的電壓。開路電壓通常是指某一狀態(tài)下電池靜置后測量得到的穩(wěn)定電壓，它與電池電量有直接的聯(lián)系，甚至可以通過它大概判斷出鋰電池的荷電狀態(tài)。工作電壓通常指電池充放電過程中的電池正負(fù)極之間電勢差。從電池物理屬性和工作原理來講，工作電壓往往小于開路電壓，因為在工作狀態(tài)下，鋰電池正負(fù)兩極的鋰離子運(yùn)動是雙向的，電流會在內(nèi)阻上產(chǎn)生一部分壓降。充電截止電壓是一個瞬時值，是在充電器期間，鋰電池達(dá)到完全充電狀態(tài)時的電壓，因飽和狀態(tài)可以視為電池的一個穩(wěn)定狀態(tài)，此時測量得到的電壓稱為充電截止電壓[39]。放電截止電壓是放電達(dá)到一定的程度時的電壓值。通常所說的放電完成并非理論上的完全放電，而是放電達(dá)到一定程度后就停止放電，如果電池電壓低于放電截止電壓后繼續(xù)放電，會造成鋰電池部分電量不可逆損失，嚴(yán)重的會徹底損壞電池。（2）鋰電池內(nèi)阻鋰電池內(nèi)阻主要是歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩個參數(shù)。簡單來說，歐姆內(nèi)阻就是電池內(nèi)部本身存在的電阻，它的大小與電池本身屬性直接相關(guān)，如電池的種類、電解液的溶度特性、正負(fù)極材料以及電池本身的結(jié)構(gòu)等。雖然內(nèi)阻是物質(zhì)屬性決定的必然存在的特性，但是隨著材料學(xué)的發(fā)展，降低內(nèi)阻將成為電池發(fā)展的一個重要方向。極化內(nèi)阻也是電池的一個重要參數(shù)，在電池進(jìn)行循環(huán)充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極之間流動，理想的情況下這種流動是完全往復(fù)的，也就是說充電過程中有多少鋰離子由正極流向負(fù)極，放電過程中就期望有相同數(shù)量的鋰離子由負(fù)極流向正極。但是實際上，受物理屬性和環(huán)境因素等因素的影響，總有少量的鋰離子不會移動，因此產(chǎn)生的電阻稱為極化內(nèi)阻[40]。電池行業(yè)中的降低內(nèi)阻，不僅要降低歐姆內(nèi)阻，還要降低極化內(nèi)阻，從而提高電池的使用性能。當(dāng)前的電池研發(fā)中，有許多改進(jìn)方法實現(xiàn)了內(nèi)阻的弱化，并且還在不斷發(fā)展。（3）鋰電池容量電池容量也就是通常所說的電池負(fù)荷量，是考量一個電池大小的基本參數(shù)。電池容量通常用安時表示，1安時表示電池在1安培電流下可以持續(xù)放電工作一小時。電池容量包括額定容量和實際容量。額定容量通常標(biāo)注在電池外殼上，是生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)過程中限定的電池充入或釋放電量的一個基本值。實際容量就是電池某時刻某狀態(tài)下的實際容量[41]。受工作環(huán)境或工作時間等因素的影響，各種工況不能達(dá)到額定要求，電池充放電過程中無法達(dá)到理想狀態(tài)，所以大多數(shù)情況下實際容量上往往小于額定容量。但是也不排除某些外界因素的干擾使得實際容量大于額定容量的情況，這是不可取也是不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要避免出現(xiàn)這種情況[42]。1.2鋰電池測試平臺本文所涉及的電池實驗由以下幾部分構(gòu)成：實驗用鋰離子電池、電池測試系統(tǒng)、恒溫箱、以及PC上位機(jī)控制端。本文選用鋰離子電池用來作為電池荷電狀態(tài)的研究實驗對象，所選實驗對象為中天儲能科技有限公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池。實驗電池的充電方式選用恒流恒壓充電（Costant-current/Costant-Voltage,CC/CV），充電開始時，首先采用恒流充電，這個時候電池的端電壓較低，充電電流保持恒定，充電倍率可調(diào)。本文實驗中一般選用1C充電倍率，所選電池額定容量為24Ah，即以24A的電流對電池進(jìn)行恒流充電，隨著恒流充電的推進(jìn)，電池的端電壓呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)端電壓達(dá)到3.6V時，停止恒流充電，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為恒壓充電階段，隨著恒壓充電的推進(jìn)，電池的充電電流會不斷減小，最終減小到下限截止電流1A時，即斷定電池充電完成，此時電池SOC為1，鋰離子充電過程結(jié)束[43]。實驗電池的放電方式選擇的是以指定的電流或者變電流的方式對鋰離子電池進(jìn)行放電，一般認(rèn)為當(dāng)電池放電過程中的端電壓達(dá)到實驗電池的下限截止電壓1.8V時，即判定為放電結(jié)束，此時電池放空，SOC=0。本文實驗中所采用的給磷酸鐵鋰電池充放電的設(shè)備為NEWARE新威公司的高性能電池檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多通道、獨(dú)立控制，實驗精度準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，充電模式有恒流充電、恒流恒壓充電、恒壓充電、恒功率充電、脈沖工步、模擬工步。放電模式有恒流放電、恒功率放電、恒阻放電。充放電的截止條件可以設(shè)置為電壓、電流、相對時間、容量和?U。通過上位機(jī)編程控制電池的工作狀態(tài)時該設(shè)備穩(wěn)定、準(zhǔn)確，為本文實驗測試提供了良好的測試平臺。本文溫度控制采用福意聯(lián)品牌恒溫箱，可將溫度調(diào)控在2~48℃下來進(jìn)行電池的實驗，本文中所涉及的電池實驗均在恒溫箱內(nèi)，將電池設(shè)置為25℃的情況下來進(jìn)行的。電池測試實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。圖1.1電池測試實驗平臺示意圖1.3鋰電池特性測試1.3.1放電特性實驗本實驗將根據(jù)恒流恒壓充電方式來對電池進(jìn)行充電，以選定的充電倍率先對電池進(jìn)行恒流充電，到達(dá)上限截止電壓3.6V時，對電池進(jìn)行恒壓充電，到充電電流下降到1A時充電完成。實驗所用鋰離子電池的放電截止電壓為1.8V。通過恒流放電實驗CCD（Constant-current-discharge），可以獲得電池容量、電池能量、電池的放電電壓、放電功率等數(shù)據(jù)，很好的研究了電池的外特性，并且在恒流放電實驗中，通過改變實驗溫度、放電倍率等影響因素，進(jìn)一步對電池的放電特性進(jìn)行研究。首先，在恒溫箱內(nèi)25℃的情況下，分別設(shè)定電池的放電倍率為0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C的條件下對鋰離子電池進(jìn)行恒流放電，設(shè)置采樣時間為10s，記錄電池的工作數(shù)據(jù)，可得出鋰離子電池的放電特性如圖1.2、圖1.3所示。圖1.2鋰離子電池不同放電倍率下測試曲線圖1.3鋰離子電池不同溫度下測試曲線根據(jù)圖1.2、1.3鋰離子放電特性曲線可以觀察得知：鋰離子的放電過程大致分為三個階段，一是起始放電階段，鋰離子電池的端電壓在這個階段會有一個比較快速的下降，且該下降幅度隨著放電電流的增大而增大，此階段應(yīng)避免較大倍率的放電，二是平臺電壓階段，該區(qū)間內(nèi)電池電壓的下降開始變得緩慢，變化波動較小，正是這個階段的存在使得鋰離子電池的SOC估算存在一定的難度，放電電流與平臺階段的電壓變化呈成正相關(guān)性，應(yīng)盡量使電池工作在該區(qū)間內(nèi)；三是電流放電末期階段，平臺電壓階段完結(jié)后，電池恒流放電進(jìn)入尾聲，此時端電壓會有一個快速的下降期，直至荷電狀態(tài)為零完成放電，此階段應(yīng)該避免較大功率放電。通過圖1.2可知同一溫度、不同放電倍率的放電特性曲線可以看出不同的放電倍率對鋰離子電池的影響較大，放電倍率越小，電池端電壓越高，放電能力越好。通過圖1.3可知同一放電倍率、不同溫度下的放電特性曲線可以看出溫度對鋰電池的影響也比較大，溫度越低，相同截止電壓下的鋰電池的電壓和容量就越小。適當(dāng)可承受的高溫范圍內(nèi)，鋰電池的放電能力隨溫度的上升而上升。1.3.2開路電壓特性實驗鋰離子電池性能指標(biāo)里對電池電壓的介紹可知，電池充電時，工作電壓和開路電壓都逐漸上升，且工作電壓要高于開路電壓，電池放電時，二者逐漸下降，且工作電壓低于開路電壓，當(dāng)經(jīng)過一段時間的靜置，二者在數(shù)值上將趨于一致。開路電壓是指電池處于靜置狀態(tài)時，電池正負(fù)極電勢差不再變化時電池的端電壓，對于同一種電池，不論電池的大小和形狀如何，其開路電壓都是相等的，但電池的SOC對電池充放電時的電流大小和溫度差異都會對開路電壓產(chǎn)生影響，且同一塊電池，充放電時的OCV也不盡相同。開路電壓和SOC之間有著一一對應(yīng)的映射關(guān)系，所以開路電壓的研究對電池的特性研究有著重要的意義。為標(biāo)定出開路電壓和電池荷電狀態(tài)SOC之間的關(guān)系，做出實驗如下：分別將電池置于25℃和35℃的恒溫箱內(nèi)，采用恒溫恒壓充電方式將電池充滿，靜置1h，并分別以1c的放電倍率對電池進(jìn)行充電和放電，每隔10%SOC靜置1h，并記錄其開路電壓。圖1.4HPPC實驗基本工步下