呂又付，羅衛(wèi)明，陳 薦，張國慶

(1.長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖南長沙 410114；2.廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006)

隨著新能源電動汽車的快速發(fā)展，隨之衍生的即是大量退役動力電池的消納問題[1]。據(jù)中國證券報調(diào)研顯示，2020年中國退役鋰離子電池累計(jì)約為24 萬噸，共計(jì)26.69 GWh，預(yù)計(jì)2025 年將會達(dá)到134.49 GWh。直接進(jìn)行鈷、鎳、鋰、銅、鋁、石墨等資源再生利用必然會導(dǎo)致資源嚴(yán)重浪費(fèi)，增加電池的制造成本不利于電池行業(yè)可持續(xù)性發(fā)展[2]。然而，退役的動力電池容量依然可以滿足儲能系統(tǒng)的基本要求，有望實(shí)現(xiàn)電池的梯級利用[3]。

目前，退役的動力電池存在一致性差、熱-電性能惡化、篩選評價技術(shù)不完善、荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)及SOH模型精度低等問題[4-6]，已成為制約退役動力電池梯級利用的關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)所在。因退役電池的熱-電特性惡化程度加劇，將增加潛在的熱致和電致濫用誘發(fā)熱失控事故的風(fēng)險，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。因此，對退役動力電池開展過充工況下的熱-電特性評價技術(shù)研究，精確獲得溫度、電壓和內(nèi)阻突變特征參數(shù)，為后續(xù)的熱安全和電池管理系統(tǒng)(battery management system,BMS)設(shè)計(jì)提供有益的基礎(chǔ)理論和技術(shù)指導(dǎo)依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。

1 實(shí)驗(yàn)對象

1.1 退役動力電池剩余容量評估

本論文的研究對象為深圳市沃特瑪生產(chǎn)并退役的32650型5.5 Ah磷酸鐵鋰動力電池，經(jīng)過前期篩選共計(jì)458 節(jié)符合測試要求。采用統(tǒng)一的充電上限電壓3.65 V，放電下限電壓2.5 V，以及充放電電流為2.5 A 的工藝對其殘余容量進(jìn)行評測。殘余容量檢測與內(nèi)阻統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1 所示，剩余容量存在明顯的正弦函數(shù)特性，容量衰減參差不齊。此外，退役的LFP 電池內(nèi)阻存在顯著增大的特性，較新電池內(nèi)阻7 mΩ 增大1～2 倍的占比超過62.8%。殘余容量與內(nèi)阻的演變表明退役后的動力電池隨著擱置時間推移，其電化學(xué)特性也將顯著惡化。

圖1 退役LFP電池剩余容量與內(nèi)阻分布

1.2 組合相變材料

組合相變材料采用兩個相變溫區(qū)的相變組分進(jìn)行串級組合，低溫域的相變材料以焦耳石蠟(PA)、膨脹石墨(EG)和低密度聚乙烯(LDPE)按照一定比例制備而成，其相變區(qū)間為42.8～46.9 ℃，相變焓值134 J/g；高溫域的相變材料以甘露醇(MA)、環(huán)氧樹脂(EP)按照一定比例制備而成，其相變區(qū)間為165.9～167.1 ℃，相變焓值為152.9 J/g，組合式相變材料的吸熱DSC 曲線測試如圖2 所示。

圖2 組合式相變材料DSC測試

1.3 組合式相變熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

退役LFP 電池組合式相變材料熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示，低溫相變材料采用銑床加工成一個內(nèi)徑32.5 mm，高度60 mm 及厚度為5 mm 的相變材料筒包裹32650 電池；其次，將其預(yù)置于一個長寬高分別為70 mm×55 mm×55 mm 的模具中，將高溫相變材料加入環(huán)氧樹脂攪拌均勻灌注成型。T 型熱電偶分別布置在電池外表面及低溫相變材料外表面的中心處采集溫度數(shù)據(jù)。低溫域的相變材料實(shí)現(xiàn)常規(guī)工況下的控溫功能，高溫域相變材料則進(jìn)一步防控?zé)崾Э匕l(fā)生或蔓延。

圖3 退役LFP電池組合式相變材料熱設(shè)計(jì)

2 組合式相變材料散熱性能

為探究組合式相變材料對退役LFP 電池控溫性能的影響機(jī)制，分別就有無包裹組合式相變材料的LFP 電池進(jìn)行5.0 A 充電后擱置2 min，15 A 放電后再擱置5 min，以此連續(xù)循環(huán)5 次測試。在環(huán)境溫度為25 ℃條件下[如圖4(a)所示]，空白組電池的最高溫度維持在39.3 ℃，連續(xù)5 次放電過程中的溫升僅為12.2 ℃；而在包裹有組合式相變材料電池，最高溫度穩(wěn)定在41.7 ℃，放電過程平均溫升為14 ℃。在35 ℃環(huán)境條件下[如圖4(b)所示]，采用相同測試工藝測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩組電池放電最大溫度接近于52.5 ℃，而采用組合式相變材料熱設(shè)計(jì)的退役LFP 電池溫升平均僅為10.5 ℃，空白組電池平均溫升達(dá)到13.3 ℃。從溫度曲線可以明顯看出，采用組合式相變材料電池的溫度即使在冷卻過程中高于空白組電池，但相變材料強(qiáng)大的潛熱可以有效地吸收電池產(chǎn)生的熱量，并維持較為狹窄的溫度波動區(qū)間。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電池?zé)嵩O(shè)計(jì)中需要合理的匹配相變材料設(shè)計(jì)，尤其是其相變溫度區(qū)間，才能最大化地發(fā)揮相變材料的潛熱吸熱優(yōu)勢。

圖4 退役LFP電池有無組合式相變材料散熱溫升測試

3 退役LFP 電池過充熱-電特性

3.1 SOH 對退役LFP 電池過充的影響

3.1.1 溫度特性

在探究SOH對LFP 電池過充工況下的產(chǎn)熱及溫升影響中，LFP 電池首先采用5.0 A 進(jìn)行恒流恒壓充電至3.65 V，并以截止電流小于0.2 A 終止，之后擱置5 min 后進(jìn)行過充。對100%SOH、80%SOH和70%SOH以2.5 A 過充電流測試的溫度曲線如圖5 所示。從圖可以明顯看出，LFP 電池隨著SOH越低過充失效時的最高溫度越高，最高接近105 ℃。通過對溫升曲線進(jìn)行dθ/dt求導(dǎo)并且光滑處理，我們可以明顯地看出，不同SOH的LFP 電池在過充初始階段其溫升速率曲線較好的重合在一起(虛線框)，顯示其具有相同大小的加速度0.47 ℃/min2，且第一平臺溫升速率為1.26 ℃/min。持續(xù)過充，第二階段的溫升速率曲線的加速度大小近似為0.35 ℃/min2，其峰值速率隨SOH越低越大，分別為3.36、3.72和4.56 ℃/min。

圖5 不同SOH的LFP電池2.5 A過充溫升曲線

3.1.2 電壓特性

LFP 電池以2.5 A 過充過程中，可以明顯看見電池的電壓急劇上升、下降、再上升等趨勢(如圖6 所示)。因此，可以將LFP 電池過充過程中的電壓特性劃分三個階段(B、C、D)，即初始階段電壓急劇上升至4.75 V 附近(B 階段)，但所經(jīng)歷的時間、過充度與SOH呈明顯的負(fù)相關(guān)，分別為105%SOC、112.5%SOC和115%SOC。而在第二階段(C 階段)，新舊電池呈現(xiàn)了明顯的分化，100%SOH電池電壓快速下降至4.5 V 后再上升；80%SOH和70%SOH電池電壓則輕微上升后下降至4.5 V，對應(yīng)4.5 V 位置處的過充度分別為110%SOC、115.5%SOC和125%SOC。第三階段(D 階段)，100%SOH電池電壓持續(xù)上升直至失效，過充度為123%SOC；而80%SOH和70%SOH電池電壓則持續(xù)下降直至失效，過充度接近135%SOC。在過充過程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著LFP 電池的SOH越低，其泄壓閥啟動失效時的過充度越大，也就意味著發(fā)生電致熱失控時的危害程度越大。

圖6 LFP電池2.5 A過充下的電壓特性曲線

3.2 過充電流的影響

為進(jìn)一步厘清LFP 電池過充中的熱-電特性，分別對100%SOH和80%SOH電池進(jìn)行了5.0 A 過充測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示(圖中ABCD 解析見上圖6)。從圖7(a)中可以看出，過充階段電壓依然保持著三個階段特性，與2.5 A 過充電流相比較，第一階段的標(biāo)志性電壓上升至4.83 V 左右，下降電壓則出現(xiàn)了明顯的分化。在此過程中，隨過充電流增大其過充階段的內(nèi)阻上升的斜率也增大。然而，相較2.5 A 過充，5.0 A 過充失效的最大溫度分別增加了20 ℃，在dθ/dt分析曲線中變得更加顯著，溫升速率也急劇增大。但在不同SOH電池中，依然存在一個共同的溫升加速度，即為1.138 ℃/min2，且第一個峰值溫升率為3.36 ℃/min。在達(dá)到峰值溫升速率階段中，80%SOH和100%SOH的值分別為9.36 和6.39 ℃/min，加速度為1.019 ℃/min2，相較于2.5 A 其增幅分別為2.4 倍和2.9 倍，表明增大過充電流會顯著增加電池的產(chǎn)熱，并且隨SOH越低其不可逆產(chǎn)熱量越大。

圖7 LFP電池5.0 A 過充下的熱-電特性曲線

3.3 組合相變材料對過充熱-電特性影響

在上述研究中表明，過充會顯著增加LPF 電池的產(chǎn)熱，尤其是SOH越低其產(chǎn)熱量越劇烈?；诮M合式相變材料熱設(shè)計(jì)的LFP 電池分別進(jìn)行了2.5 和5.0 A 的過充測試，測試結(jié)果如圖8 所示。在圖8(a)中，組合式相變材料的應(yīng)用使得2.5 A過充下80%SOH電池的溫度下降了近15 ℃，并且在過充失效時其過充度達(dá)到了148%SOC，增大了12%。在進(jìn)一步分析dq/dt曲線中，我們發(fā)現(xiàn)組合式相變材料的LFP 電池第一階段的溫升率峰值為0.84 ℃/min，在最大峰值溫升率也僅為1.59 ℃/min，低了近2.3 倍，意味著電池受高溫?zé)釠_擊的程度降低了。而在5.0 A 過充測試中[如圖8(b)]，組合式相變材料的LFP 電池最大溫度降低了46 ℃(75 ℃vs.121 ℃)，而在溫升速率的第一拐點(diǎn)和最大峰值分別為1.86 和3.624 ℃/min，較空白組5.0 A 過充下降了2 倍和2.6 倍。由此可見，在大熱流密度沖擊下，使得組合式相變材料完全相變，吸熱效果更為顯著。

圖8 組合式相變材料對LFP電池過充中的溫度抑制曲線

4 結(jié)論

在退役LFP 電池過充實(shí)驗(yàn)研究中，我們發(fā)現(xiàn)電池的溫度、內(nèi)阻以及電壓都具有典型的特性。因此，在后續(xù)的梯級利用中可以利用這些特性參數(shù)，開發(fā)帶有預(yù)警模型的電池管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高效安全管理。此外，基于組合式相變材料對過充的熱-電特性影響研究中，相變材料可以吸收大量的熱量保持狹窄的溫度波動，即使在過充工況下也可以降低電池遭受過熱的熱沖擊。

(1)不同SOH的LFP 電池在過充階段中發(fā)現(xiàn)，對其溫升曲線進(jìn)行求導(dǎo)剝離出溫升速率的曲線，在2.5 A 過充電流下具有明顯一致的第一加速度0.47 ℃/min2和第二加速度0.35℃/min2值;

(2)在LFP 電池過充過程中，電池的內(nèi)阻與電壓在瞬間陡峭地上升，2.5 與5.0 A 過充電流下電壓分別達(dá)到4.75 和4.83 V 左右，內(nèi)阻則隨著過充的持續(xù)性而繼續(xù)增大;

(3)在組合式相變材料熱防控研究中，2.5 和5.0 A 過充電流下，與空白組對比最高溫度分別下降了15 和46 ℃，尤其在大熱流密度沖擊下組合式相變材料完全相變吸熱效果更為顯著，表明合理匹配相變材料的相變溫度是組合式相變材料實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的控溫、吸熱的關(guān)鍵所在。