【《锂电池工作原理及特性试验分析报告》3600字】

第第锂电池工作原理及特性试验分析报告目录TOC\o"1-3"\h\u20308锂电池工作原理及特性试验分析报告 1114351.1锂电池工作原理与基本参数 1180961.1.1工作原理 1220691.1.2基本参数 1296561.2锂电池测试平台 3183131.3锂电池特性测试 4212751.3.1放电特性实验 4141131.3.2开路电压特性实验 51.1锂电池工作原理与基本参数1.1.1工作原理锂电池是指电池正极材料采用锂的化合物，负极材料通常采用石墨化碳材料的一种电池，由电极、薄膜、电解液和外壳组成。通常所见的正极材料氧化物，譬如钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)居多，是一种典型的层状结构。锂电池的电解液通常为烷基碳酸酯与其他添加剂组成的混合溶剂，采用的隔膜是三层隔膜，外壳选用铝制材料。锂电池能够得到广泛应用的原因是能够实现电池的循环充放电，并且这一充放电过程是完全可逆的，锂离子在电池正负极之间可以实现嵌入和脱嵌，保证了锂电池良好的性能[38]。锂电池的充电过程是正极的锂离子向负极移动的过程，正极锂离子向负极移动并嵌入得越多，那么充电容量越高。放电的过程正好相反，负极的锂离子向正极移动，越充分表示放电越彻底。在这一充放电过程中，锂离子几乎没有损耗，保证了电池可以实现充放电的循环从而反复使用，能够稳定地发挥锂电池的功效。1.1.2基本参数锂电池的充放电过程是一个较为复杂的化学反应过程，常常通过对锂电池电压、内阻和容量等相关基本参数的分析来研究其充放电过程，下面进行简单介绍：（1）锂电池电压锂电池的电压包括开路电压、工作电压、充电负荷满状态时的电压和放电负荷满状态的电压。开路电压通常是指某一状态下电池静置后测量得到的稳定电压，它与电池电量有直接的联系，甚至可以通过它大概判断出锂电池的荷电状态。工作电压通常指电池充放电过程中的电池正负极之间电势差。从电池物理属性和工作原理来讲，工作电压往往小于开路电压，因为在工作状态下，锂电池正负两极的锂离子运动是双向的，电流会在内阻上产生一部分压降。充电截止电压是一个瞬时值，是在充电器期间，锂电池达到完全充电状态时的电压，因饱和状态可以视为电池的一个稳定状态，此时测量得到的电压称为充电截止电压[39]。放电截止电压是放电达到一定的程度时的电压值。通常所说的放电完成并非理论上的完全放电，而是放电达到一定程度后就停止放电，如果电池电压低于放电截止电压后继续放电，会造成锂电池部分电量不可逆损失，严重的会彻底损坏电池。（2）锂电池内阻锂电池内阻主要是欧姆内阻和极化内阻两个参数。简单来说，欧姆内阻就是电池内部本身存在的电阻，它的大小与电池本身属性直接相关，如电池的种类、电解液的溶度特性、正负极材料以及电池本身的结构等。虽然内阻是物质属性决定的必然存在的特性，但是随着材料学的发展，降低内阻将成为电池发展的一个重要方向。极化内阻也是电池的一个重要参数，在电池进行循环充放电过程中，锂离子在正负极之间流动，理想的情况下这种流动是完全往复的，也就是说充电过程中有多少锂离子由正极流向负极，放电过程中就期望有相同数量的锂离子由负极流向正极。但是实际上，受物理属性和环境因素等因素的影响，总有少量的锂离子不会移动，因此产生的电阻称为极化内阻[40]。电池行业中的降低内阻，不仅要降低欧姆内阻，还要降低极化内阻，从而提高电池的使用性能。当前的电池研发中，有许多改进方法实现了内阻的弱化，并且还在不断发展。（3）锂电池容量电池容量也就是通常所说的电池负荷量，是考量一个电池大小的基本参数。电池容量通常用安时表示，1安时表示电池在1安培电流下可以持续放电工作一小时。电池容量包括额定容量和实际容量。额定容量通常标注在电池外壳上，是生产厂家在生产过程中限定的电池充入或释放电量的一个基本值。实际容量就是电池某时刻某状态下的实际容量[41]。受工作环境或工作时间等因素的影响，各种工况不能达到额定要求，电池充放电过程中无法达到理想状态，所以大多数情况下实际容量上往往小于额定容量。但是也不排除某些外界因素的干扰使得实际容量大于额定容量的情况，这是不可取也是不稳定的状态，需要避免出现这种情况[42]。1.2锂电池测试平台本文所涉及的电池实验由以下几部分构成：实验用锂离子电池、电池测试系统、恒温箱、以及PC上位机控制端。本文选用锂离子电池用来作为电池荷电状态的研究实验对象，所选实验对象为中天储能科技有限公司生产的磷酸铁锂电池。实验电池的充电方式选用恒流恒压充电（Costant-current/Costant-Voltage,CC/CV），充电开始时，首先采用恒流充电，这个时候电池的端电压较低，充电电流保持恒定，充电倍率可调。本文实验中一般选用1C充电倍率，所选电池额定容量为24Ah，即以24A的电流对电池进行恒流充电，随着恒流充电的推进，电池的端电压呈现上升趋势，当端电压达到3.6V时，停止恒流充电，进而转换为恒压充电阶段，随着恒压充电的推进，电池的充电电流会不断减小，最终减小到下限截止电流1A时，即断定电池充电完成，此时电池SOC为1，锂离子充电过程结束[43]。实验电池的放电方式选择的是以指定的电流或者变电流的方式对锂离子电池进行放电，一般认为当电池放电过程中的端电压达到实验电池的下限截止电压1.8V时，即判定为放电结束，此时电池放空，SOC=0。本文实验中所采用的给磷酸铁锂电池充放电的设备为NEWARE新威公司的高性能电池检测系统，该系统可以实现多通道、独立控制，实验精度准确等优点，充电模式有恒流充电、恒流恒压充电、恒压充电、恒功率充电、脉冲工步、模拟工步。放电模式有恒流放电、恒功率放电、恒阻放电。充放电的截止条件可以设置为电压、电流、相对时间、容量和∆U。通过上位机编程控制电池的工作状态时该设备稳定、准确，为本文实验测试提供了良好的测试平台。本文温度控制采用福意联品牌恒温箱，可将温度调控在2~48℃下来进行电池的实验，本文中所涉及的电池实验均在恒温箱内，将电池设置为25℃的情况下来进行的。电池测试实验平台结构如图1.1所示。图1.1电池测试实验平台示意图1.3锂电池特性测试1.3.1放电特性实验本实验将根据恒流恒压充电方式来对电池进行充电，以选定的充电倍率先对电池进行恒流充电，到达上限截止电压3.6V时，对电池进行恒压充电，到充电电流下降到1A时充电完成。实验所用锂离子电池的放电截止电压为1.8V。通过恒流放电实验CCD（Constant-current-discharge），可以获得电池容量、电池能量、电池的放电电压、放电功率等数据，很好的研究了电池的外特性，并且在恒流放电实验中，通过改变实验温度、放电倍率等影响因素，进一步对电池的放电特性进行研究。首先，在恒温箱内25℃的情况下，分别设定电池的放电倍率为0.2C、0.5C、1C、1.5C、2C的条件下对锂离子电池进行恒流放电，设置采样时间为10s，记录电池的工作数据，可得出锂离子电池的放电特性如图1.2、图1.3所示。图1.2锂离子电池不同放电倍率下测试曲线图1.3锂离子电池不同温度下测试曲线根据图1.2、1.3锂离子放电特性曲线可以观察得知：锂离子的放电过程大致分为三个阶段，一是起始放电阶段，锂离子电池的端电压在这个阶段会有一个比较快速的下降，且该下降幅度随着放电电流的增大而增大，此阶段应避免较大倍率的放电，二是平台电压阶段，该区间内电池电压的下降开始变得缓慢，变化波动较小，正是这个阶段的存在使得锂离子电池的SOC估算存在一定的难度，放电电流与平台阶段的电压变化呈成正相关性，应尽量使电池工作在该区间内；三是电流放电末期阶段，平台电压阶段完结后，电池恒流放电进入尾声，此时端电压会有一个快速的下降期，直至荷电状态为零完成放电，此阶段应该避免较大功率放电。通过图1.2可知同一温度、不同放电倍率的放电特性曲线可以看出不同的放电倍率对锂离子电池的影响较大，放电倍率越小，电池端电压越高，放电能力越好。通过图1.3可知同一放电倍率、不同温度下的放电特性曲线可以看出温度对锂电池的影响也比较大，温度越低，相同截止电压下的锂电池的电压和容量就越小。适当可承受的高温范围内，锂电池的放电能力随温度的上升而上升。1.3.2开路电压特性实验锂离子电池性能指标里对电池电压的介绍可知，电池充电时，工作电压和开路电压都逐渐上升，且工作电压要高于开路电压，电池放电时，二者逐渐下降，且工作电压低于开路电压，当经过一段时间的静置，二者在数值上将趋于一致。开路电压是指电池处于静置状态时，电池正负极电势差不再变化时电池的端电压，对于同一种电池，不论电池的大小和形状如何，其开路电压都是相等的，但电池的SOC对电池充放电时的电流大小和温度差异都会对开路电压产生影响，且同一块电池，充放电时的OCV也不尽相同。开路电压和SOC之间有着一一对应的映射关系，所以开路电压的研究对电池的特性研究有着重要的意义。为标定出开路电压和电池荷电状态SOC之间的关系，做出实验如下：分别将电池置于25℃和35℃的恒温箱内，采用恒温恒压充电方式将电池充满，静置1h，并分别以1c的放电倍率对电池进行充电和放电，每隔10%SOC静置1h，并记录其开路电压。图1.4HPPC实验基本工步下