磷酸鐵鋰電池特性

1、磷酸鐵鋰電池特性目錄目錄錯誤！未定義書簽.1背景錯誤！未定義書簽2組成、結(jié)構(gòu)與工作原理錯誤！未定義書簽3特性曲線3.1 充放電曲線3.2 倍率特性.3.3 溫度特性.3.4 開路電壓特性3.5 循環(huán)特性.錯誤！未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽錯誤!未定義書簽4總結(jié)錯誤！未定義書簽.1背景磷酸鐵鋰電池具有平安性好、比能量和比功率高、循環(huán)壽命長等特點,在后備電源、大型儲能及電動汽車中應(yīng)用廣泛.本文以電動汽車退運電池為研究對象,通過性能測試實驗獲取數(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,作為對該電池梯次利用于大型儲能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持.2

2、組成、結(jié)構(gòu)與工作原理磷酸鐵鋰電池一般由正極、負極、隔膜、電解液、外殼及其他附屬配件組成.正極活性材料為橄欖石型的磷酸亞鐵鋰LiFePO多經(jīng)過包覆碳、摻雜等改性才能使用.負極活性材料為天然石墨、人造石墨等石墨類材料,以及硬碳、軟碳等碳材料,也需要適當(dāng)處理才能使用.隔膜為聚乙烯PE、聚丙烯PP中的一種或兩種材料,常以單層或多層復(fù)合成膜使用,也有在膜外表增加無機陶瓷膜增強處理的方式,在一定程度上提升電池平安性.電解液是以鏈狀或環(huán)狀碳酸酯為溶劑的鋰鹽溶液,其中還添加了特殊添加劑.外殼是容納電池其他組成局部的容器,多為高強度、耐腐蝕的不銹鋼、鋁合金、特種塑料等材質(zhì),也有用鋁塑復(fù)合膜作為外殼的電池,實際使

3、用時還需要增加高強度外殼加以保護.止匕外,電池中還有增加正負極導(dǎo)電性的導(dǎo)電劑,固定活性材料的粘結(jié)劑,起到支撐粉體材料和收集電流的集流體銅箔、鋁箔,連接電池內(nèi)外及導(dǎo)電的連接片、極耳、極柱等附屬配件.從外形上分類,磷酸鐵鋰電池有圓柱型、棱柱型、方形、不規(guī)那么形狀等類型,是根據(jù)使用要求差異而出現(xiàn)的.一種典型的LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示.左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4作為電池的正極,由鋁箔與電池正極柱連接,中間是聚合物隔膜,它把正極與負極隔開,但鋰離子Li+可以通過而電子a不能通過,右邊是電池負極,由銅箔與電池的負極柱連接.電池的上下端之間是電池的電解質(zhì),電池由金屬外殼密閉封裝.圖1Li

4、FePO4電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖LiFePO4電池在充電時,正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中,負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移.鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時往返遷移而命名的.磷酸鐵鋰電池充放電時,發(fā)生的化學(xué)反響是可逆的,總反響如下：放電FePO+LiC6-C6+LiFePO4；充電C6+LiFePO4-FePO4+LiC6；磷酸鐵鋰材料中的結(jié)構(gòu)變化示意圖如圖2所示,充電時材料中的鋰離子逐步脫嵌,放電時鋰離子嵌入骨架結(jié)構(gòu),充放電前后材料骨架結(jié)構(gòu)變化很小.圖2LiFePO4材料充放電過程中微觀結(jié)構(gòu)變化示意圖3特性曲線磷酸鐵鋰-石墨體系電池電壓平臺一般為3.15V3.

5、45V,研究磷酸鐵鋰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)準充放電曲線可以了解電池最根本的輸入/輸出電壓、電量等特性,可以初步判斷電池能否滿足負載的需求.根據(jù)該電池產(chǎn)品規(guī)格書說明,該電池額定容量為60Ah,標(biāo)稱電壓為3.2V,最大充電電流為1C,最大放電電流為2C,充放電電壓范圍為2.5V3.65V,工作溫度范圍為-20C55Co因此以1/3C電流對電池進行室溫下的標(biāo)準充放電,所得充放電曲線如圖3所示.3.9充電放電3.63.32.7130S流恒壓充電至366Vt流B至0.C8C亭止130S流放電至25V

6、2.40102030405060容量(用)圖3電池標(biāo)準充放電曲線從圖3可知電池1/3C電流下所得電池充電容量為54Ah,放電容量為53.3Ah,充放電庫倫效率為98.70%,充電電壓平臺為3.35V3.45V,放電電壓平臺為3.26V3.16V.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載功率需求,是首先要考察的電池特性.將電池分別以0.15C、0.3C、0.4C、0.5C、0.8C、1.0C不同倍率進行充電,所得充電曲線如圖4所示.圖4中隨著充電倍率增大,電池充電電壓平臺逐步升高,說明電池內(nèi)阻導(dǎo)致了充電電壓出現(xiàn)極化.3.92.4V

7、壓電3.63.32.70.15C0.3C0.4C0.5C0.8C1.0C01020304050容量(Ah)60圖4電池倍率充電曲線不同倍率電池充電谷量數(shù)據(jù)見表1,只有充電倍率到達1.0C谷量略有下降,其他倍率下電池充電容量差異不明顯,充電至3.65V前的恒流充電階段充電容量高,與圖4曲線特性一致.表1電池倍率充電數(shù)據(jù)充電倍率0.15C0.3C0.4C0.5C0.8C1.0C總?cè)萘?Ah)53.85455.555.854.252.8充電至3.65V容量(Ah)53.553.355.555.453.551.8恒流充電效率(以0.3C為基準,%)100.38100.00104.13103.94100

8、.3897.19電池分別以0.15C、0.3C、0.4C、0.5C、0.8C、1.0C不同倍率進行放電,所得放電曲線如圖5所示.電池放電平臺隨放電倍率增大依次下降,與充電曲線趨勢相反,也說明了電池內(nèi)阻造成的電壓極化特性.1020405030容量(A)0.8C1.0C2.7600.15C0.3C0.4C0.5C2.40圖5電池倍率放電曲線不同倍率電池充電容量數(shù)據(jù)見表2,放電容量遵循隨著放電倍率增大逐漸減小的趨勢,放電效率保持在100%左右.其中0.15C、0.3C容量較低,可能因測量系統(tǒng)誤差和磷酸鐵鋰電池特性引起.表2電池倍率放電數(shù)據(jù)放電倍率0.15C0.3C0.4C0.5C0.8C1.0C容量

9、Ah54.153.355.955.454.351.9放電效率以0.3C為基準,%101.50100.00104.88103.94103.8897.37綜合倍率充放電數(shù)據(jù),說明該電池在低于1.0C倍率的電流下,輸入/輸出能量較高,輸入/輸出功率穩(wěn)定.3.3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)境下負載能量需求,也是評測電池特性必不可少的組成局部.根據(jù)常見儲能環(huán)境,選取15C、25C、35c和45c四個溫度點考察電池溫度特性,充放電電流根據(jù)0.5C進行測試,其他遵循標(biāo)準充放電條件.四種溫度下的充電曲線見圖6,充電數(shù)據(jù)見表3.3.63.3V壓電32.72.4010203

10、0405060容量A3.9圖6不同溫度下電池充電曲線從圖6可以看出,充電環(huán)境溫度升高,充電電壓平臺下降,說明電池極化減小.表3的充電數(shù)據(jù)說明,電池在15C至45c溫度范圍內(nèi)充電容量差異較小,充電效率較高.表3不同溫度下電池充電數(shù)據(jù)溫度15C25C35C45C充電容量Ah54.455.555.655.5充電效率以25c為基準,%98.02100.0100.18100.0四個溫度環(huán)境下電池的放電特性見圖7,放電數(shù)據(jù)見表43.93.615C25C35C45C3.32.72.40102030405060容量(A)圖7不同溫度下電池放電曲線從圖7可以看出,環(huán)境溫度升高,放電電壓平臺上升,說明電池極化減小

11、.表4的放電數(shù)據(jù)說明,電池在15c至45c溫度范圍內(nèi)放電容量差異較小,容量保持率較高.表4不同溫度下電池放電數(shù)據(jù)溫度15C25C35c45C放電容量(Ah)54.455.455.455.4容量保持率(以25c為基準,%)98.19100.00100.00100.00綜合以上數(shù)據(jù)可得,環(huán)境溫度能影響電池輸入/輸出能量,升高溫度并不能顯著增強電池能量輸入/輸出水平.3.4 開路電壓特性電池開路電壓與電池電動勢強相關(guān),因此與電池荷電狀態(tài)(StateofChargeSOC)有密切關(guān)系.診斷電池SOC有必要研究電池開路電壓特性.將電池以遞增10%SOC的步長,進行0100%SOC范圍內(nèi)的充放電測試,間隔

12、時間5小時以上獲得電池不同SOC下的開路電壓,變化曲線如圖8所示.圖8中電池的充放電開路電壓隨SOC變化趨勢中出現(xiàn)了明顯的平臺區(qū),即SOC在10%90%范圍內(nèi)開路電壓變化平緩,為開路電壓法估算SOC增加了困難.相同SOC下充電開路電壓高于放電開路電壓,說明實驗方法所得開路電壓還存在一定誤差,在實際估算SOC時該曲線需要經(jīng)過加權(quán)平均處理.卜壓電路開54321398733333222電電充放102030405060708090100荷電?犬態(tài)為圖8不同SOC下電池開路電壓變化曲線3.5 循環(huán)特性電池循環(huán)特性反響了電池壽命,既是電池用戶關(guān)心的問題,也是電池治理系統(tǒng)(BMS)重點研究的領(lǐng)域.電池壽命終結(jié)一般以電池額定容量衰減到80%為準,用電池健康狀態(tài)(StateofHealth,SOH)作為電池老化程度的度量指標(biāo),可定義為當(dāng)前狀態(tài)下電池完全放電容量與電池初始容量的比值0實際電池壽命測試常用加速的電池循環(huán)測試來得到,測試條件為室溫下1C倍率充放電測試,電壓范圍為2.5V3.65V,充電電流截止到0.03C,測試曲線如圖9所示.從圖9可見,測試電池初始容量從58.9Ah經(jīng)過2789次循環(huán)衰減到47.1Ah,SOH到達79.97%,電池壽命終結(jié).電池測試過程中放電容量隨循環(huán)次數(shù)變化呈現(xiàn)出線性特征,擬合系數(shù)及擬合度見表5.表5電池循環(huán)壽命曲線擬合數(shù)據(jù)表擬合項斜率k截