本期预览

 本文利用BIC-400A电池等温量热仪测量锂离子电池充放电过程中产热行为，并研究了不同正极材料、工作温度和充放电倍率对电池产热量和产热速率的影响。所获得数据与结论可作为电池热管理设计的重要参考。

一、前言

 锂离子电池安全性和性能保持是目前行业和用户最关心的两大主题。电池工作温度是影响锂电池性能与安全的关键因素，例如，低温下内阻增大，电池容量下降，极端条件下电解液甚至发生冻结导致无法放电；高温下同样会引起电池性能下降，同时可能致使电池发生热失控，引起电池燃烧甚至爆炸^[1]。

 因此，电池热管理系统(BTMS)是电池管理系统(BMS)的核心功能，可通过导热介质、测控单元以及温控设备构成闭环调节系统，使电池始终工作在合适的温度范围内。对于优秀的BTMS，其设计与优化离不开电池充放电产热等基础数据的支撑。

 锂电池充放电总热量(Qt)主要包括以下分量：1.电极反应焓变(Qr)；2.极化热（电极极化与浓差极化）(Qp)；3.不可逆副反应热(Qs)；4.焦耳热(QJ)。其中1为可逆分量，2-4为不可逆分量^[2]。

 本文选取典型锂电池样品，通过等温量热仪研究了不同材料体系、不同温度和不同充放电倍率下的电池吸放热行为。

二、实验部分

 1. 样品准备

 电池样品：NCR(2600mAh)、NCM(3200mAh)、ICR(2600mAh)、LFR(1100mAh)四种18650电池、LFP方形电池(35Ah)、NCM软包电池(50Ah)。

 2. 实验条件

 实验仪器：BIC-400A等温量热仪、电池充放电设备；

 实验模式：等温量热模式；

 实验方法：恒流恒压充电、恒流放电；

 等温目标温度与热沉间温差：3℃；

 记录频率：1Hz；

 加热器通道：2路；

 传感器通道：2路。

 3. 实验过程

 (1) 不同正极材料影响：电池连接导线后置于18650电池专用夹具中，设定样品温度为22℃，以1C倍率进行恒流放电及恒压恒流充电实验，充放电过程中仪器检测电池吸放热功率变化。

 (2) 工作温度影响：35Ah LPF方形电池连接导线后置于专用夹具中，分别设定样品温度为12℃、22℃和32℃，并以1C倍率进行实验。

 (3) 充放电倍率影响：50Ah NCM软包电池连接导线后置于专用夹具中，设定样品温度为22℃，并分别以0.2C、1C倍率进行实验。

三、实验结果

 1. 不同正极材料电池充放电产热功率

图1 不同正极材料18650电池(a)充电与(b)放电过程产热功率变化 

表1 不同正极材料18650电池充放电产热 

 如图1a所示^[3]，充电过程LFR电池的产热功率最低，而ICR的产热功率最大。同时充电至截止电压后，产热功率会随充电电流迅速下降；而放电过程(图1b)四种电池产热功率单调上升，这是因为在放电过程中电池内阻逐渐增大。同时四种电池的产热功率与产热量大小顺序与充电过程一致。上述结果符合四种电池的容量与正极材料热稳定性特征。

 2. 不同温度下电池充放电产热功率

 不同温度下方形电池的充放电产热数据如图2所示。在较低的12℃下，电池充放电产热功率最大。而在32℃下，电池产热功率和产热量最小，说明适宜的工作温度可以明显降低电池充放电产热；另外，32℃下充电起始阶段电池出现了一个明显的吸热峰，电极反应热表现更为显著，可逆热在总放热量中的占比提高。

图2 不同温度下35Ah的LFP方形电池(a)充电与(b)放电过程产热功率与产热量变化

 3. 不同充放电倍率电池充放电产热功率

 最后，利用50Ah软包电池研究了倍率的影响。如图3a所示，在0.2C倍率下，充放电曲线都存在吸热区间，且两条曲线具有明显的对称性，说明此时电池产热以电极反应热为主，可逆热占比很高；而在1C倍率下，充放电产热充放电曲线对称性减弱，且未出现明显的吸热峰。这是由于在提高充放电倍率情况下，可逆反应热基本保持不变，但极化热和焦耳热等不可逆热显著提高。

图3 (a)0.2C和(b)1C充放电倍率下充电与放电曲线对比

四、实验结论

 利用BIC-400A等温量热仪可以准确测量不同工况下电池充放电产热功率与产热量变化，帮助研发人员深入理解和研究电池充放电产热机理与特征, 并为电池热管理提供重要支撑性数据。

参考文献

[1] 王峰,李茂德.电池热效应分析[J].电源技术,2010,34(3):288-291.

[2] Noboru Sato. [J]. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles. Journal of Power Sources, 99 (2001):70-77.

[3] 李慧芳,黄家剑,李飞,高俊奎.锂离子电池在充放电过程中的产热研究[J].电源技术,2015,39(07):1390-1393+1481. 

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