技术分享｜等温量热仪用于锂电池充放电产热行为研究

杭州仰仪

2023/06/26 13:56

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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。

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(Q_t)主要包括以下分量：1.电极反应焓变(Q_r)；2.极化热（电极极化与浓差极化）(Q_p)；3.不可逆副反应热(Q_s)；4.焦耳热(Q_J)。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。

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：杭州仰仪科技有限公司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。

实验结果

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。