大型锂电池常温循环性能及其容量损失

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 所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌的锂离子化合物作为正负极构成的二次电池。锂离子电池于20世纪90年代初由日本SONY公司率先研制成功并实现商品化。锂离子电池作为一种高比能量、环保型的电源装置而受到了全世界的关注,得到迅速开发和应用。尤其在通信领域,锂离子电池已逐步取代了镉镍和镍氢电池而成为主要供电电源。理想的锂离子电池,除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外,不发生其他副反应,不出现锂离子的不可逆消耗。实际的锂离子电池,每时每刻都有副反应存在,也有活性物质的不可逆消耗。由于大型锂离子电池充放电电流大、体积大、散热难,在充放电过程中容易导致电池升温,使得锂离子电池的循环寿命在一定程度上有所降低;加上出于安全方面的考虑使得作为动力电源的大型锂离子电池的开发及应用在很大程度上受到了限制(如作为车用动力电源)。本文针对大型锂电池在常温状态下的循环性能和容量衰减情况进行了研究,这些研究结果对锂电池在常温环境中的使用具有一定的参考价值。

  试验

  本试验研究采用的蓄电池是自制LiCoO2体系80Ah聚合物锂离子蓄电池。蓄电池在室温状态下进行充放电循环测试,采用恒流恒压充电制度(CC-CV)和恒流放电制度,充放电电压范围为3.0V~4.15V,首先以80A恒流充电至4.15V,转4.15V恒压充电至电流小于4A时停止,搁置10min,以80A恒流放电至3.0V,搁置10min,如此循环充放电500次。循环数据的采集在电池程控测试仪(LX-PCBT-188-5D)上进行,环境温度为12.2℃~22.9℃。

 

  结果与讨论

  充电

  充电特性曲线

  蓄电池的充电特性曲线见图1。

  由图1可以看出,第1次循环充电容量75.651Ah,恒流充电时间52分11秒,恒压充电时间14分31秒,总充电时间1小时6分42秒。随着循环次数的增加,充电时间减少。

  蓄电池的充电平台在3.8V~4.15V,该阶段充入容量达到总充电容量的80%以上。并且随着循环次数的增加,电压上升速度加快,充电容量减少。

  恒流充电容量占总充电容量的百分比

        (1)1-100次循环

  恒流充电容量占总充电容量的91.49%(均值)。恒压充电容量占充电容量的8.51%(均值)。

  (2)200-300次循环

  恒流充电容量占总充电容量的90.98%(均值)。恒压充电容量占充电容量的9.02%(均值)。

  (3)400-500次循环

  恒流充电容量占总充电容量的89.9%(均值)。恒压充电容量占充电容量的10.1%(均值)。

  恒流充电容量占总充电容量的百分率与循环次数关系见图2。

  由以上数据和图2可以看出,随着循环次数的增加,恒流充电容量占总充电容量的百分率平缓下降,则恒压充电容量占总充电容量的百分率平缓上升。

  放电曲线

  蓄电池的放电特性曲线见图3。

  由图3可以看出,蓄电池的放电平台在4.1V~3.6V,该阶段放电容量达到总放电容量的90%以上。随着循环次数的增加,蓄电池放电容量降低,且放电平台降低。

  充放电效率

         蓄电池的充放电效率曲线见图4。由图4可以看出,蓄电池充放电效率曲线非常平缓,充放电效率平均值为99.58%。说明在循环过程中充放电效率不受循环次数的影响。

  容量衰减

  放电容量见表1。容量衰减率见表2。表中数据显示经过500次循环过后,蓄电池容量衰减达到8.978%(相对于额定容量),并且,由表中数据可以看出,前200次循环容量衰减较快,从第201-300次循环起,随着循环次数的增加蓄电池容量衰减速度增加。


  结语

  通过对LiCoO2体系80Ah聚合物锂离子蓄电池常温下进行的1C循环寿命的500次测试数据分析,得出以下结论:蓄电池常温1C充电至4.15V,充电时间小于67分;循环寿命前500次容量衰减为额定容量的85.299%;恒流充电容量占总充电容量的比率随循环次数的增加而降低;蓄电池的放电平台在4.1V~3.6V,该阶段放电容量大于总放电容量的90%;循环过程中充放电效率不受循环次数的影响,平均值为99.58%。