三元材料電池特性

1、三元材料電池特性目錄目錄21 背景32 三元材料結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)原理33 特性曲線43.1充放電曲線43.2倍率特性43.3溫度特性53.4開路電壓特性64總結(jié)71 背景三元正極材料(包括鎳鈷錳系NCM和鎳鈷鋁系NCA層狀三元材料)因具有高能量密度、優(yōu)低溫特性和高一致性，能為電動汽車?yán)锍虘n慮、安全性等核心問題提供更好的解決方案，相比于錳酸鋰和磷酸鐵鋰等傳統(tǒng)車用正極，正逐漸發(fā)展成當(dāng)今和未來的主流技術(shù)路線。本文以市場上某品牌電池為研究對象，通過性能測試實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)，然后歸納總結(jié)該電池特性，從而獲得該類電池較全面的性能評價(jià)，作為該類電池管理的數(shù)據(jù)支持。2 三元材料結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)原理 以NCM為例，NC

2、M化學(xué)組成為Li(Ni,Co,Mn)O2，其中各過渡金屬離子作用各不相同。一般認(rèn)為，Mn4+的作用在于降低材料成本、提高材料安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但過高的Mn含量會破壞材料的層狀結(jié)構(gòu)，使材料的比容量降低。Co3+的作用在于不僅可以穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，而且可以提高材料的循環(huán)和倍率性能。而Ni2+的作用在于提高增加材料的體積能量密度。但鎳含量高的三元材料也會導(dǎo)致鋰鎳混排，從而造成鋰的析出，在材料表面形成無活性鋰鹽，容易分解及吸水，從而降低電池容量。常見的三元材料Ni、Co、Mn比例為1:1:1，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 (a) LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2結(jié)構(gòu)示意圖；(b)鋰鎳混排結(jié)構(gòu)示

3、意圖NCM在充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)式為：LiNi13Co13Mn13O2 charge dischargeLi1-xNi13-x2+Nix3+Co13Mn13O2+xLi+xe- (0x1/3 3.84.1V)Li23Ni133+Co13Mn13O2 charge dischargeLi1-xNi23-x3+Nix-134+Co13Mn13O2+(x-13)Li+(x-13)e- (1/3x2/3 3.84.1V)Li13Ni134+Co13Mn13O2 charge dischargeLi1-xNi134+Co1-x2+Cox-233+Mn13O2+(x-23)Li+(x-23)e- (2

4、/3x1 4.5V)電位為3.84.1 V區(qū)間內(nèi)對應(yīng)于Ni2+/Ni3+(0x1/3)和Ni3+/Ni4+(1/3x2/3)的轉(zhuǎn)變；在4.5V左右對應(yīng)于Co3+/Co4+ (2/3x1)轉(zhuǎn)變，當(dāng)Ni2+與Co3+被完全氧化至+4價(jià)時(shí)，其理論容量為278 mA h/g。3 特性曲線三元材料-石墨體系電池標(biāo)稱電壓為3.6V，研究三元材料電池一般從充放電曲線、倍率特性、溫度特性、開路電壓特性、循環(huán)特性等不同角度來考慮，以下是相關(guān)的特性曲線。3.1充放電曲線從電池標(biāo)準(zhǔn)充放電曲線可以了解電池最基本的輸入/輸出電壓、電量等特性，可以初步判斷電池能否滿足負(fù)載的需求。以1/3C電流對電池進(jìn)行室溫下的標(biāo)準(zhǔn)充放電

5、，充放電電壓范圍為2.8V4.2V，所得充放電曲線如圖2所示。圖2 電池標(biāo)準(zhǔn)充放電曲線從圖2可知電池1/3C電流下所得電池充電容量為7.3Ah，放電容量為7.2Ah，充放電庫倫效率為99.51%，在3.6V3.8V范圍內(nèi)出現(xiàn)電壓平臺。3.2倍率特性電池的倍率特性是指不同輸入/輸出電流下電池的電壓、電量變化特征，主要用于判斷電池能否滿足負(fù)載功率需求。電池分別以1/3C、1.5C、4.0C不同倍率進(jìn)行放電，所得放電曲線如圖3所示。電池放電平臺隨放電倍率增大依次下降，說明了電池內(nèi)阻造成的電壓極化。圖3 電池倍率放電曲線不同倍率電池充電容量數(shù)據(jù)見表1，放電容量遵循隨著放電倍率增大逐漸減小的趨勢。在4.

6、0C倍率，放電效率近90%，說明該電池持續(xù)輸出功率高。表1 電池倍率放電數(shù)據(jù)放電倍率1/3C1.5C4.0C容量(Ah)7.2366.9046.484放電效率(以1/3C為基準(zhǔn)，%)100.0095.4189.613.3溫度特性考查電池的溫度特性是為了判定電池輸入/輸出是否滿足不同工作環(huán)境下負(fù)載能量需求。根據(jù)常見儲能環(huán)境，選取-20、23、55三個(gè)溫度點(diǎn)考察電池溫度特性，充放電電流按照1/3C進(jìn)行測試，其他遵循標(biāo)準(zhǔn)充放電條件。三種溫度下的充電曲線見圖4，充電數(shù)據(jù)見表2。圖4不同溫度下電池放電曲線從圖4和表2可以看出，在-20低溫環(huán)境下，放電電壓平臺急劇降低，約為3.0V3.5V放電容量僅有23

7、下的65.36%，說明電池極化嚴(yán)重。當(dāng)溫度達(dá)到55高溫時(shí)，放電容量達(dá)到23的約1.04倍，升高了3.97%。表2 不同溫度下電池放電數(shù)據(jù)溫度-202355放電容量(Ah)4.7787.3107.600容量保持率(以23為基準(zhǔn)，%)65.36100.00103.97綜合以上數(shù)據(jù)可得，環(huán)境溫度能影響電池輸出能量，低溫下電池能量輸出能力低，高溫下電池輸出能量有所提高。3.4開路電壓特性電池開路電壓與與電池荷電狀態(tài)(SOC)有關(guān)，診斷電池SOC有必要研究電池開路電壓特性。將電池以遞增5%SOC的步長，進(jìn)行0100%SOC范圍內(nèi)的充放電測試，所得開路電壓變化曲線如圖5所示。圖5中電池的開路電壓隨SOC變化趨勢中平臺區(qū)不明顯，有利于開路電壓法估算SOC。在-1055溫度范圍內(nèi)，不同溫度下的開路電壓曲線相似度較高，相同SOC下開路電壓隨溫度升高而增大。 圖5不同溫度下電池開路電壓隨SOC