王雙雙，李新峰，張沿江,臧　強(qiáng)

(合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司 工程研究院，安徽 合肥 230011)

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內(nèi)阻差異對鋰離子電池性能的影響

王雙雙，李新峰，張沿江,臧強(qiáng)

(合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司 工程研究院，安徽 合肥 230011)

選用正負(fù)極體系相同但交流內(nèi)阻不同的3款鋰離子全電池進(jìn)行電性能測試，比較不同的交流內(nèi)阻對電池不同放電深度(DOD)下的開路電壓、直流阻抗、功率的影響.結(jié)果表明：交流內(nèi)阻的差異對鋰離子全電池不同DOD下的開路電壓影響不大；交流內(nèi)阻越大的鋰離子全電池相應(yīng)的直流阻抗也越大，內(nèi)阻差異在脈沖電流越大時(shí)對直流阻抗的影響越明顯，在10%～80%DOD區(qū)間內(nèi)，同一交流內(nèi)阻的鋰離子全電池直流阻抗變化不大；交流內(nèi)阻小的鋰離子全電池的功率較強(qiáng)，在深DOD區(qū)間下，鋰離子全電池的功率明顯降低.

鋰離子電池；交流內(nèi)阻；直流阻抗；功率性能

近年來，隨著3C電子產(chǎn)品(如筆記本電腦、移動(dòng)電源和電動(dòng)工具等)的市場日益龐大，以及電動(dòng)汽車市場的逐步擴(kuò)大，世界各國均在大力開發(fā)高能量、高功率的鋰離子動(dòng)力電池[1]，我國也將二次電池列為電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)進(jìn)行研究.電池的內(nèi)阻是表征電池壽命以及電池運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)[2]，是衡量電子和離子在電極內(nèi)傳輸難易程度的主要標(biāo)志.

對于高功率的電池來說，電池的放電倍率很大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小電池的內(nèi)阻，確保電池能夠發(fā)揮其大功率特性.對材料顆粒表面進(jìn)行碳包覆，以形成顆粒間的導(dǎo)電接觸，以提高整個(gè)電極的導(dǎo)電能力[3-5].使用涂碳鋁集流體可以使得正極顆粒與集流體間的電子傳輸更為便利，并可減小鋁箔的氧化和電解液對鋁箔的腐蝕[6].陳萍等[7]發(fā)現(xiàn)正極使用CNT或?qū)щ婁X箔可降低電池使用過程中的內(nèi)阻.Dominko等[8]認(rèn)為涂碳鋁集流體的涂碳層可以提供足夠的電子，從而避免導(dǎo)電性較差的磷酸鐵鋰顆粒與鋁箔集流體之間的極化.姚汪兵等[9]發(fā)現(xiàn)氧化鋁陶瓷涂層能有效提高隔膜對電解液的吸附性，降低隔膜的界面阻抗.郭鋒等[10]發(fā)現(xiàn)涂覆1μm隔膜制備的電芯內(nèi)阻較常規(guī)隔膜制備的電芯要下降20%以上.

電動(dòng)汽車用鋰離子電池的功率特性能反映出鋰離子全電池在實(shí)際工況狀態(tài)下的電池性能[11].為評價(jià)電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池的特性，常采用脈沖充放電的測試方式評價(jià)電池性能[12].目前關(guān)于內(nèi)阻差異對鋰離子電池安全性能及溫升影響的研究較多[13-14]，但關(guān)于內(nèi)阻差異對鋰離子全電池開路電壓、直流阻抗、功率特性的影響鮮有報(bào)道.筆者以磷酸鐵鋰-碳體系的鋰離子全電池為研究對象，選取2組不同脈沖電流進(jìn)行測試，研究不同的交流內(nèi)阻對電池不同放電深度(DOD)下的開路電壓、直流阻抗、功率的影響.

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1電池制備

該全電池正極活性材料是磷酸鐵鋰LFP，負(fù)極活性材料為人造石墨.電解液為1mol·L-1的LiPF6，溶劑為EC+DMC+DEC.將正極材料在N-N二甲基吡咯烷酮(NMP)溶劑中合漿，負(fù)極材料在水溶劑中合漿，然后將正負(fù)極漿料分別涂在鋁箔和銅箔集流體上，再經(jīng)制片、卷繞、組裝等工序組裝成電池.經(jīng)化成、分容等工序，制備出1865140型動(dòng)力鋰離子全電池.通過改變電池設(shè)計(jì)，共制備3款交流內(nèi)阻不同的鋰離子全電池，其內(nèi)阻分別為5.5，3.4，1.4mΩ.

1.2電池性能測試

使用美國FreedomCAR項(xiàng)目《功率輔助型混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池測試手冊》中的混合脈沖功率特性測試方法(hybridpulsepowercharacterization, 簡稱HPPC)，可以測試電池不同放電深度(DOD)下的開路電壓、直流阻抗及功率等，此方法簡單快捷[15-16].根據(jù)脈沖充放電過程中控制參數(shù)的不同，脈沖充放電可以分為控制電流的脈沖充放電和控制功率的脈沖充放電，筆者采用控制電流的充放電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對電池分別進(jìn)行脈沖放電電流為4I1與5I1的混合脈沖功率特性測試.為了得到不同放電深度下的內(nèi)阻對電池性能的影響，以10%的DOD為一個(gè)間隔點(diǎn)，在各點(diǎn)上對鋰離子電池進(jìn)行HPPC脈沖充放電，放電及充電脈沖時(shí)間均為10s.鋰離子全電池測試使用新威CT-3004W-5V100A-TF電池檢測柜.

2　結(jié)果與討論

2.1內(nèi)阻差異對開路電壓的影響

圖1　4I1脈沖電流下的開路電壓與放電深度的關(guān)系曲線Fig.1　　　　The curves of open circuit voltage with different DOD at 4I1 current

圖1為4I1脈沖電流下的開路電壓與放電深度的關(guān)系曲線.

由圖1可知，在4I1的脈沖電流下，電池在DOD的10%～80%范圍內(nèi)，開路電壓(OCV)隨放電深度(DOD)的變化并不明顯，不同交流內(nèi)阻的鋰離子全電池表現(xiàn)出相同的趨勢，即內(nèi)阻差異對于電池不同DOD下的開路電壓影響不明顯.

圖2為5I1脈沖電流下的開路電壓與放電深度的關(guān)系曲線.由圖2可知，脈沖電流為5I1時(shí)，電池在DOD的10%～80%范圍內(nèi)，開路電壓(OCV)隨放電深度(DOD)的變化不明顯.

圖2　5I1脈沖電流下的開路電壓與放電深度的關(guān)系曲線Fig.2　The curves of open circuit voltage with different DOD at 5I1 current

對比圖1，2可知，脈沖電流為5I1時(shí)的變化趨勢與4I1時(shí)的基本一致，即二者內(nèi)阻差異對于電池不同DOD下的開路電壓影響均不明顯.

2.2內(nèi)阻差異對直流阻抗的影響

圖3為4I1脈沖電流下的直流阻抗與放電深度的關(guān)系曲線.由圖3可知，在4I1脈沖電流下，鋰離子全電池的直流阻抗隨著DOD的升高而增加，在DOD的10%～80%范圍內(nèi)，電池的直流阻抗變化不明顯，表明此區(qū)間內(nèi)的電池具有良好的大電流脈沖充放電能力.圖4為5I1脈沖電流下的直流阻抗與放電深度的關(guān)系曲線.由圖4可知，脈沖電流為5I1時(shí)，電池在DOD的10%～80%范圍內(nèi)，阻抗變化不明顯，但在較深DOD區(qū)間內(nèi)，電池阻抗增加較明顯，即電池低SOC狀態(tài)下的做功能力下降較大.對比圖3，4可知，鋰離子全電池在不同脈沖電流下，脈沖電流越大交流內(nèi)阻差異對直流阻抗的影響越明顯.

圖3　4I1脈沖電流下的直流阻抗與放電深度的關(guān)系曲線Fig.3　　　　The curves of DC impedance with different DOD at 4I1 current

圖4　5I1脈沖電流下的直流阻抗與放電深度的關(guān)系曲線Fig.4　　　　The curves of DC impedance with different DOD at 5I1 current

2.3內(nèi)阻差異對功率的影響

圖5為4I1脈沖電流下的功率與放電深度的關(guān)系曲線.由圖5可知，在4I1脈沖電流下,鋰離子全電池的功率隨DOD的加深而降低，在淺DOD區(qū)間內(nèi)，電池功率變化不明顯，在深DOD區(qū)間下，電池功率明顯降低.交流內(nèi)阻為1.4mΩ的電池，50%DOD的功率可以達(dá)到741W；交流內(nèi)阻為3.4mΩ的電池，50%DOD的功率可以達(dá)到464W；交流內(nèi)阻為5.5mΩ的電池，50%DOD的功率可以達(dá)到262W，因此交流內(nèi)阻直接影響鋰離子全電池的功率.圖6為5I1脈沖電流下的功率與放電深度的關(guān)系曲線.

圖5　4I1脈沖電流下的功率與放電深度的關(guān)系曲線Fig.5　　　　The curves of pulse power with different DOD at 4I1 current

圖6　5I1脈沖電流下的功率與放電深度的關(guān)系曲線Fig.6　　　　The curves of pulse power with different DOD at 5I1 current

由圖6可知，在淺DOD區(qū)間內(nèi)，電池功率變化不明顯，在深DOD區(qū)間下，電池的功率明顯降低，即低SOC深DOD狀態(tài)下的功率下降較明顯.對比圖5，6可知，脈沖電流為5I1時(shí)電池的功率與4I1時(shí)相比稍有降低，為保證電池在實(shí)際應(yīng)用中有較好的功率輸出，電池荷電狀態(tài)(SOC)需要控制在20%～80%之間.

3　結(jié)束語

在不同大小的脈沖電流下，內(nèi)阻差異對于電池不同DOD下的開路電壓影響均不明顯.交流內(nèi)阻越大的鋰離子全電池相應(yīng)的直流阻抗也越大；鋰離子全電池脈沖電流越大，交流內(nèi)阻差異對直流阻抗的影響越明顯；在10%～80%的DOD區(qū)間內(nèi)，同一交流內(nèi)阻的鋰離子全電池直流阻抗值變化不大. 鋰離子電池的功率與交流內(nèi)阻有直接關(guān)系，交流內(nèi)阻小的電池相應(yīng)的功率較強(qiáng)；電池的功率在淺DOD區(qū)間變化不明顯，在深DOD區(qū)間下降明顯.

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(責(zé)任編輯鄭小虎)

Effectofinternalresistancedifferenceonperformanceoflithium-ionbattery

WANGShuangshuang,LIXinfeng,ZHANGYanjiang,ZANGQiang

(InstituteofEngineeringandResearch,HefeiGuoxuanHigh-techPowerEnergyCo.Ltd.,Hefei230011,China)

ThethreeLi-ionbatterieswhichhadthesamematerialsystembutdifferentACresistanceweretested,suchastheopencircuitvoltage(OCV),directcurrent(DC)impendenceandpowerperformanceatdifferentdepthofdischarge(DOD).TheresultsshowedthatthedifferenceofACresistancehadalittleinfluenceontheOCVwithdifferentDOD.TheDCimpendencewasgreaterwhichbatteryhadgreaterACresistance.ButtheDCimpendencewhichhadthesameACresistancechangedlittleattherangeof10%—80%DOD.InlinewiththetendencyofDCimpendence,thepowerperformancewhichhadsmallACresistancewasstrongerthanthebatterywithbigACresistance,butunderthedeepDODinterval,dischargepowerofLi-ionbatterywasdecreasedobviously.

lithiumionbattery;alternatingcurrentresistance;directcurrentimpendence;powerperformance

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.02.009

2015-10-11

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015AA034601)

王雙雙(1985-)，女，山東寧津人，合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司工程師.

TM912

A

1000-2162(2016)02-0049-05