不同荷电态对锂离子电池循环寿命的影响

而要满足以上的需求, 首当其冲是提高锂离子电 池的循环寿命 , 以此满足实际的使用要求。故本文选 用商业化的磷酸铁锂正极材料制作 40 Ah 电池, 并研 究了不同环境温度及不同荷电态对电池循环寿命性能 的影响。
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结果分析与讨论
3. 1 相同荷电态下, 温度对电池循环寿命的影响 图 2 所示为不同荷电态下 20 和 55 电池的循
Effect of State - of - Charge on the Cycle Life of Lithium - ion Batteries
WENREN Hong -yan, MAO Song -ke, WENREN Hong - quan, GAN Ling - min
( Zhejiang GBS Energy Co. , Ltd. , Yuyao 315400, China)
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引
言
锂离子电池作为化学电源中一种能量转换形式 , 具有工作电压高、 能量密度大、 重量轻、 体积小、 安全性 好、 循环寿命好及绿色环保等优点 [ 1- 3] 。自从 1990 年 SONY 公司制造出第一个锂离子电池以来, 锂离子电 池就得到了迅速发展, 并且取代了镍氢电池 , 成为移动 电子设备领域内的电源首选。随着锂离子电池研究水 平的提高和制造技术的不断改进 , 锂离子电池的应用 领域也越来越广泛。目前, 广泛研究和实际应用的正 极材料主要有钴酸锂、 锰酸锂、 层状氧化镍锂、 钒的氧
作者简介 : 闻人红雁( 1963- ) , 女 , 硕士 , 工程师 , 从事锂离子电池产业化技术研究。 E -mail: w w rhy55@ 163. com 。
798 具有广阔的发展前景和巨大的市场需求。
材料科学与工程学报
2011 年 10 月
至电流 2 A, 搁置 10 min, 0. 5 C 恒流放电至电压 2. 5 V, 以此为一个循环进行循环寿命测试。
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Biblioteka Baidu
A. S . Aric , P. Bruce, B. Scros ati, J.-M . T arascon , W. V. Sch lkw ijk. Nanostructured materials for advan ced en ergy conversion an d storage d evices [ J] . Natu re materials, 2005, 4 ( 5) : 366~ 377.
收稿日期 : 2010 -10 -28; 修订日期 : 2011 -01 - 06
容量高、 电压高、 环境友好、 价格低廉等优点 , 被认为是 新一代锂离子电池最有应用前景的正极材料[ 8- 10] 。 近年来, 原油价格的不断上涨 , 电动车 ( EV ) 和混 合电动车 ( H EV) 的发展也越来越快 , 它们对大容量锂 离子动力电池的需求也越来越大。中国在 2008 年国 家高技术研究发展计划 ( 863 计划 ) 现代交通技术领域 节能与新能源汽车 重大项目指南中 , 明确提出了锂 离子动力电池系统产业化技术研究的方向, 并予以大 量的资金支持。此外, 大容量锂离子动力电池也逐渐 受到通信、 储能、 军用、 野外作业、 仪器仪表、 航空航天 以及其它特殊领域专业人士的青睐。锂离子动力电池
第 29 卷 第 5 期 Vol 2 9 No 5
材 料 科 学 与 工 程 学 报 Journal of M at er ials Science & Eng ineer ing
总第133期 Oct . 2011
文章编号 : 1673 - 2812 ( 2011) 05 - 0797 - 04
不同荷电态对锂离子电池循环寿命的影响
用 100 % SOC, 在 55 SOC。 参
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环境下 , 荷电态可以采用 0 %
考
文
献
J.- M . T arascon, M . Arman d. Is sues and challen ges facing rechargeable lith ium batteries [ J] . Nature, 2001, 414( 15) : 359 ~ 367.
2. 1 电池的制作 本实验所采用的正极材料磷酸铁锂为新乡公司的 L T- E2 型号 , 负极为石墨碳。正负极极片制备均采用 水性体系 , 即将配比好的活性物质与粘合剂以及导电 炭黑按 1 0. 3 0. 5 的比例混合 , 加去离子水搅拌成 糊状, 均匀涂覆在铝箔 ( 或铜箔 ) 表面, 然后将极片 在 105 下烘干 1 h 。将电极片经辊压机压制后再 置于 真空烘箱中于 100 干燥 2 h, 切分制成锂离子电池的 正极片。将制成的正极与负极极片 组装成锂离子 电 池。电池装配过程在相对湿度低于 1% 的干燥手套箱 中完成。制作好的电池外形如图 1 所示, 共制作 6 个 电池进行不同温度及荷电态下储存 15 天后的循环寿 命测试。电池测试采用新威尔电池测试系统, 测试环 境控制采用恒温恒湿高温箱。
图 3 20 Fig. 3
下不同荷电态对电池循环寿命的影响 under dif feren t SO C
闻人红雁, 毛松科, 闻人红权, 干玲敏
( 浙江佳贝思绿色能源有限公司 , 浙江 余姚 315400 )
摘 要 通过对不同荷电态及不同搁置温度下单体电池的循环寿命测试 , 发现不同温度及荷电 态对锂离子电池循环寿命影响很大。低荷电态下, 温度对电池循环性能影响较小, 但是在满荷电态下 , 电池在高温下的循环性能明显差于常温。 20 下, 随着荷电态的增加, 电池循环寿命依次增加。 55 下, 随着荷电态的增加 , 电池循环寿命衰减严重。以此为依据, 可以根据不同情况采取不同的搁置方法 , 从而提高锂离子电池的循环寿命。 关键词 锂离子电池 ; 荷电态; 温度 ; 循环寿命 中图分类号: T B31 文献标识码: A
图1 Fig. 1
40 A h 电池外形
S hap e of a 40 A h b at t ery
2. 2 不同相同荷电态 , 不同温度循环寿命测试 电池化成 结束 后, 取荷 电态 ( SOC ) 分 别为 0 % SOC、 50 % SOC 和 100 % SOC 的电池各 2 节 , 分别 在 20 和 55 下搁置 15 天后进行循环寿命测试; 测 试方法为 : 0. 5 C 恒流充电至电压 4. 0 V, 转恒压充电
Abstract
T he cycle lif e of lit hium - ion bat t eries w as studied under dif f erent st ates - of - char ge ( SOC) at
20 and 55 , respectively. It has been fo und t hat t he shelving t emper at ure and t he SOC ex er t st rong eff ect s on the cy cle lif e of lithium - ion batt eries. At a part ial SOC, t he inf luence of t emperat ur e o n the cycl e perf orm ance of l it hium - ion bat t eries is small. H ow ever, in f ul l st at e -of - charge, t he cycle life at high t emperat ur e is det er io rated w ith increasing the cycl e number. At 20 , t he cycle perf orm ance o f lithium - io n batt eries is improved w it h increasing t he SOC, but decreased sev erely at 55 . Based on t hese results, t he cycl e lif e of lit hium - ion bat t eries can be improv ed t hrough m odulat ing t he SOC at dif ferent condit ions. Key words lithium - io n bat t eries; st ate of charge; t emperat ure; cycle lif e 化物和磷酸铁锂等 [ 4- 9] 。其中, 磷酸铁锂由于具有理论
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实
验
环寿命。取 3 个荷电态 , 分别为 0 % SOC, 50 % SOC 和 100 % SOC 。从图 2( a) 中可以看出, 在 0 % SOC 下 , 20 下放电容量和循环 性能都略好于 55 下的。 故在 0 % SOC 状态下 , 不同温度下搁置 15 天后对电 池的总体循环寿命影响不大。从图 2( b) 中可以看出 , 在 50 % SOC 下 , 前 100 个循环中 , 20 和 55 下的 放电容量和循环稳定性基本相当 , 但是在 100 次后, 在 高温 55 下的放电容量衰减较快 , 电池的循环寿命降 低速度较快。在 100 % SOC 下 , 如图 2( c) 所示 , 20 环境下循环稳定性明显好于 55 下的, 在 400 次循环 后 , 容量只衰减了 8 % 左右, 而 55 环境下则为 21 % 左右。这可 能是因 为在 高温下 , 正 负极 表面 形成 的 SEI 膜不稳定, 或者是正极表面在高温下更容易与电 解液发生反应 , 形成较厚的钝化膜, 从而提高了电池的 极化内阻 , 降低了电池的循环寿命[ 11- 14] 。另外 , 在高温 下 , 电解液可能会发生一些副反应, 也会降低电池的循 环寿命。 3. 2 相同温度下 , 不同荷电态对电池循环寿命的影响 图 3 和图 4 所示分别为 20 和 55 下不同荷电 态对电 池循环 寿命的 影响。这里 我们 还可以 发现 , 20 环境下, 不同荷电态下的电池的循环寿命衰减都 较缓慢, 说明荷电态在低温下对电池的循环寿命影响 较小。但是, 随着荷电态的增加 , 电池的循环寿命还是 有所增加。比如在 0 % SOC, 50 % SOC 和 100 % SOC 三个荷电态下 400 次循环后的容量保持率 分别 为 87. 01 % , 90. 68 % 和 91. 95 % 。在满荷电态下, 随 着微反应的 进行 , 有 利于 负极 表面 形成 稳 定的 SEI 膜 , 俗称老化, 而稳定的 SEI 膜有利于增加电池 的循 环寿命。但是在 高温 55 环境 下, 随 着荷 电态的 增 加 , 电池的循环寿命衰减加剧。可见, 在高温下荷电态 对电池循环寿命影响较大。在 0 % SOC, 50 % SOC 和 100 % SOC 三个荷电态下 400 次循环后的容量保 持率分别为 88. 62 % , 88. 78 % 和 78. 70 % 。这可能 是因为在高温下, 满荷电态下会使正负极表面副反应 加剧, 从而破坏了正负极表面的 SEI 膜的稳定性 , 或 使表面 SEI 膜增厚严重, 从而加剧了电池循环寿命的 衰减[ 11- 14] 。
第 29 卷第 5 期
闻人红雁 , 等 . 不同荷电态对锂离子电池循环寿命的影响
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图2 Fig. 2
不同荷电态下 20
和 55
电池的循环寿命 : ( a) 0 % SO C, ( b) 50 % S OC 和 ( c) 100 % SO C and 55 , r espect ivel y.
Cycl e lif e of lit hiu m -ion bat t eries were meas ured under diff erent st at es - of - charge at 20 ( a) 0 % SO C; ( b) 50 % SO C; ( c) 100 % SO C