阮觀強,郁長青,胡 星,華 菁

（上海電機學(xué)院機械學(xué)院,上海 201306）

三元正極材料鋰離子電池是應(yīng)用較多的動力電池之一,受到較廣泛的研究[1]。影響鋰離子電池充放電性能的因素很多,如充放電倍率、內(nèi)阻和溫度等。魯懷敏等[2]對軟包裝三元正極材料鋰離子電池進行壓力實驗,認為充放電容量隨著壓力的增加而降低。鄭昆等[3]研究了環(huán)境溫度對新標(biāo)準(zhǔn)歐洲循環(huán)（NEDC）工況下鋰離子電池組放電性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的降低,容量和能量因內(nèi)阻增大而衰減。這些結(jié)果有助于深入研究鋰離子電池性能的影響因素。

在實際工況中,電動汽車中的高壓導(dǎo)線、電動機和其他電氣設(shè)備等都會產(chǎn)生磁場,可能會影響動力電池的充放電性能。H.M.Cheng等[4]將γ-Fe2O3摻入磷酸鐵鋰（LiFePO4）正極材料中,證明γ-Fe2O3產(chǎn)生的磁場在帶電的LiFePO4顆粒上產(chǎn)生磁力,并加速電子運動,提高了電池的功率密度,延長了循環(huán)壽命,以10.0 C倍率在2.5～4.3 V循環(huán),正極材料為純LiFePO4的電池的放電比容量為1.8 mAh/g,摻入15%γ-Fe2O3后增加至69.8mAh/g。 以5.0 C倍率循環(huán)35次后,正極摻入15%γ-Fe2O3電池的容量保持率為92.6%,高于純磷酸鐵鋰鋰離子電池的65.3%。K.Shen等[5]將磁感應(yīng)強度為350 mT的旋轉(zhuǎn)磁場施加到鋰金屬電池的陽極上,使Li+受洛倫茲力作用,并產(chǎn)生磁流體動力學(xué)（MHD）效應(yīng),可抑制鋰枝晶的形成,提高電池的倍率性能和穩(wěn)定性,未施加磁場時,在3.0 V下,0.5 C、4.0 C放電比容量分別為112 mAh/g、68 mAh/g,施加磁場后,放電比容量分別增加至132 mAh/g、97 mAh/g。J.Billaud等[6]在電極制造過程中施加低強度磁場,使石墨顆粒垂直于集流體定向。此方法僅通過改變電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu),就增加了鋰離子電池的容量,與未施加磁場相比,施加磁場后的放電比容量增加了1.6～3.0倍。

有鑒于此,本文作者以鋰離子電池為研究對象,放置于不施加磁場和施加不同磁感應(yīng)強度的亥姆霍茲線圈磁場的環(huán)境中,進行充放電實驗,通過比較容量、能量和端電壓等性能參數(shù)的變化,分析亥姆霍茲線圈磁場對性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗對象及設(shè)備

為研究鋰離子電池在不同磁場環(huán)境下的充放電特性,搭建的測試平臺如圖1所示。

圖1 實驗平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental platform

測試對象為松下18650型鋰離子電池（日本產(chǎn)）,正極為LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2三元材料,負極材料為石墨,單體容量為3 000 mAh。用MACCOR-M4300桌面電池測試系統(tǒng)（美國產(chǎn),電壓范圍為±5 V,電流范圍為0～5 A,電壓精度為滿量程的0.02%,電流精度為所選量程滿刻度的0.01%,時間分辨率為10 ms）對電池進行充放電測試。用PS1LXG-280型亥姆霍茲線圈（湖南產(chǎn)）產(chǎn)生磁場,磁感應(yīng)強度為0～80 mT,精度為0.1%。電池溫度用E型熱電偶（美國產(chǎn),測量范圍為-40～375℃,允差值為1.5℃）測量。熱電偶布置在電池側(cè)面靠近正極處、側(cè)面中部和側(cè)面靠近負極處,如圖2所示。

圖2 熱電偶布置位置Fig.2 Thermocouple layout position

1.2 不施加磁場時的測試方法

不施加磁場（磁感應(yīng)強度為0）時,鋰離子電池充放電性能測試方法如下:放電規(guī)則為電池以1/3 C倍率恒流放電至終止電壓2.75 V;充電規(guī)則為電池以1/3 C倍率恒流充電至截止電壓4.20 V。電池所處環(huán)境溫度控制在20℃。

在不同倍率下對鋰離子電池進行充放電,實驗步驟為:①將電池按照放電規(guī)則放電;②放電完成后,將電池擱置1 h;③將電池按照充電規(guī)則充電;④充電完成后,將電池擱置1 h;⑤按步驟①～④循環(huán)一次;⑥改變充放電倍率為1/2 C、1 C,并重復(fù)以上步驟。

采樣時間為5 s。當(dāng)每種倍率的充放電實驗完成后,考慮到數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,記錄第2次循環(huán)時,電池的電壓、電流、容量、能量和溫度等相關(guān)參數(shù)。

1.3 施加亥姆霍茲線圈磁場時的測試方法

施加亥姆霍茲線圈磁場時,電池的充放電性能測試方法為:將電池放置在亥姆霍茲線圈中,設(shè)置給亥姆霍茲線圈供電的直流電源的電流為1 A,放電、充電規(guī)則不變。

在不同磁感應(yīng)強度下,對鋰離子電池進行充放電,具體實驗步驟為:①按不施加磁場的充放電方法進行測試;②改變流過亥姆霍茲線圈的電流為5 A和10 A。

采樣時間為5 s。當(dāng)直流電源的電流大小為1 A、5 A和10 A時,產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度分別為3.95 mT、19.75 mT和39.50mT。當(dāng)每組充放電實驗完成后,記錄第2次循環(huán)時,電池的電壓、電流、容量、能量和溫度等相關(guān)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 容量對比

被測電池在不同磁感應(yīng)強度下的放電容量如圖3所示,放電倍率分別為1 C、1/2 C和1/3 C。

圖3 電池在不同磁感應(yīng)強度下的放電容量Fig.3 Discharge capacity of battery under different magnetic induction intensities

從圖3可知,在同一磁感應(yīng)強度下,隨著電池放電倍率的增大,放電容量逐漸減小。在同一放電倍率下,隨著磁感應(yīng)強度的增大,電池的放電容量逐漸增大。以1/3 C倍率為例,磁感應(yīng)強度為0時,放電容量為2.46 Ah;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至3.95 mT時,放電容量為2.51 Ah,增加了2.03%;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至19.75 mT時,放電容量為2.66 Ah,增加了8.13%;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至39.50 mT時,放電容量為2.89 Ah,增加了17.48%。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場能給帶電的Li+提供洛倫茲力,促使Li+在電解液中均勻分布,加快Li+從負極擴散到正極的速度,使反應(yīng)進行得更充分,進而增加電池的放電容量。隨著磁感應(yīng)強度的增大,洛倫茲力逐漸增大,進一步加快了Li+的擴散速度。在實際工況中,可適當(dāng)提高電池所處磁場的磁感應(yīng)強度,來提高放電性能。

電池在不同磁感應(yīng)強度下的充電容量如圖4所示。

圖4 電池在不同磁感應(yīng)強度下的充電容量Fig.4 Charging capacity of battery under different magnetic induction intensities

從圖4可知,電池的充電容量隨著磁感應(yīng)強度的增大而增大,且整體趨勢與圖3基本相同,原因與放電容量增加相同。

綜上所述,磁場對鋰離子電池的充放電容量均有影響,電池的充放電容量隨著磁感應(yīng)強度的增大而增大,且兩者近似呈線性關(guān)系。

2.2 能量對比

電池在不同磁感應(yīng)強度下的放電能量如圖5所示。

圖5 電池在不同磁感應(yīng)強度下的放電能量Fig.5 Discharge energy of battery under different magnetic induction intensities

從圖5可知,在同一磁感應(yīng)強度下,隨著電池放電倍率的增大,放電能量逐漸減小。以1/3 C倍率為例,當(dāng)磁感應(yīng)強度為0時,電池的放電能量為8.66Wh;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至3.95 mT時,放電能量為8.85Wh,增加了2.20%;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至19.75 mT時,放電能量為9.40 Wh,增加了8.55%;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至39.50 mT時,放電能量為10.28Wh,增加了18.71%。與放電容量相似,隨著磁感應(yīng)強度的增大,電池的放電能量逐漸增大,原因是磁場產(chǎn)生的洛倫茲力使帶電的Li+均勻分布,加快了Li+從負極擴散到正極的速度,使反應(yīng)進行得更充分,放電能量增加。

電池在不同磁感應(yīng)強度下的充電能量如圖6所示。

圖6 電池在不同磁感應(yīng)強度下的充電能量Fig.6 Charging energy of battery under different magnetic induction intensities

從圖6可知,電池的充電能量隨著磁感應(yīng)強度的增大而增大,且整體趨勢與圖5基本相同。充電能量相對放電能量有所增加,是因為電池在放電過程中內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)更劇烈,并產(chǎn)生大量熱量,而充電過程產(chǎn)生的熱量相對較少。綜上所述,磁場對鋰離子電池的充放電能量均有影響,充放電能量隨著磁感應(yīng)強度的增大而增大。

2.3 放電溫升對比

經(jīng)過測量,電池表面3個被測點溫度相差不超過1℃,因此選擇T2即電池表面中部溫度數(shù)據(jù)加以分析,并計算電池在第2次循環(huán)放電過程中溫升的數(shù)值,如圖7所示。

圖7 電池在不同磁感應(yīng)強度下的放電溫升Fig.7 Discharge temperature rise of battery under different magnetic induction intensities

從圖7可知,以1/3 C倍率為例,當(dāng)電池未放在磁場中,即磁感應(yīng)強度為0時,電池的放電溫升為4.67℃;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至3.95 mT時,電池的溫升為6.45℃,增加了38.12%;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至19.75 mT時,電池的溫升為12.21℃,增加了161.46%;當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至39.50 mT時,電池的溫升為27.91℃,增加了497.64%。這表明,隨著磁感應(yīng)強度的增大,電池的表面溫度劇烈增加,原因是亥姆霍茲磁場提供的洛倫茲力使Li+在電解液中均勻分布,加速了Li+的擴散,使電池的溫度升高。且1 C倍率放電時的溫升曲線更加陡峭,而1/2 C倍率和1/3 C放電時的溫升曲線相對平緩。由此可見,隨著放電倍率的增大,磁感應(yīng)強度的增加對電池的溫升作用更加明顯。

2.4 放電曲線

電池在不同磁感應(yīng)強度下的1/3 C倍率放電曲線如圖8所示。

圖8 電池在不同磁感應(yīng)強度下的1/3 C倍率放電曲線Fig.8 1/3 C rate discharge curves of battery under different magnetic induction intensities

從圖8可知,在初始放電時,電壓下降較快,之后放電曲線趨于平緩,進入放電平臺。當(dāng)放電快結(jié)束時,電壓突然下降至終止電壓。這是因為在放電過程中,負極發(fā)生氧化反應(yīng),釋放出電子,正極發(fā)生還原反應(yīng),正、負極之間的電壓差逐漸降低。磁感應(yīng)強度影響電池的放電容量,隨著磁感應(yīng)強度的增大,放電容量逐漸增大,且磁感應(yīng)強度越大,電池的端電壓越高。隨著磁感應(yīng)強度的增大,放電電壓平臺呈上升趨勢,且磁感應(yīng)強度越大,平臺時間越長,變化越緩慢。當(dāng)磁感應(yīng)強度僅為3.95 mT時,與磁感應(yīng)強度為0時的放電曲線基本重合,但當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至19.75 mT甚至39.50 mT時,放電電壓平臺明顯升高,說明適當(dāng)提高磁感應(yīng)強度可提高電池的放電平臺,提高鋰離子電池的放電性能。

3 結(jié)論

本文作者選取以LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2為正極活性物質(zhì)的鋰離子電池作為實驗對象,在不同磁感應(yīng)強度的亥姆霍茲線圈磁場中,研究磁場對鋰離子電池充放電性能的影響,包括充放電容量、能量、溫升和端電壓等。

實驗結(jié)果表明:鋰離子電池的充放電容量均隨著磁感應(yīng)強度的增加而增大,在1/3 C倍率下,當(dāng)磁感應(yīng)強度增加至3.95mT、19.75mT和39.5mT時,電池放電容量分別增加了2.03%、8.13%和17.48%,兩者近似呈線性關(guān)系。鋰離子電池的充放電能量均隨著磁感應(yīng)強度的增加而增大,且放電能量略小于充電能量;電池表面溫度隨著磁感應(yīng)強度的增大而增加;放電端電壓隨著磁感應(yīng)強度的增加而增大。

施加亥姆霍茲線圈磁場可在一定程度上提高鋰離子電池的性能。