鋰離子電池充放電過程中的熱特性研究

張志超 鄭莉莉 戴作強 杜光超 張洪生

摘要：為了在某一恒定溫度下準確研究電池充放電過程中的吸放熱特性，本文以18650 LiCoO2電池為實驗對象，采用等溫量熱儀和充放電柜對鋰離子電池在充放電過程中的產熱行為進行研究。研究結果表明，隨著充/放電倍率的增大，電池放熱速率明顯升高，在20 ℃條件下，1 C倍率放電后期產熱速率較0.3 C增加了530.5%;在同一倍率條件下，LiCoO2電池0 ℃與40 ℃相比，充電時間增加了10.2%，嚴重影響了LiCoO2電池的充電性能;在相同條件下，放電過程中電池產熱量要遠大于充電過程中電池產熱量。本文為電動車用鋰電池熱安全研究提供了可靠的參考依據。

關鍵詞：鋰離子電池; 等溫量熱儀; 熱特性; 放熱速率; 放熱量; 鋰電池熱安全

由于鋰離子電池具有高比能量、高比功率和高充放電效率，所以對鋰離子電池性能的研究引起了學者們的廣泛關注[1-3]。由于動力鋰電池在頻繁充放電過程中內部將產生大量熱量，如果產生的熱量不能被及時散發掉，會導致電池組的工作溫度過高，從而影響電池性能，甚至引發安全事故[4-5]。另外，鋰離子電池在低溫下存在脫嵌鋰不平衡、循環倍率性能差、比容量低等問題[6-9]，因此，通過研究低溫下鋰電池的產熱問題，對提高電池性能和安全性具有指導作用。目前，國內外關于鋰電池產熱方面的研究主要集中在分析外界環境溫度、充放電倍率、老化程度等對電池溫升的影響。羅英等人[10-13]研究了不同老化狀態對鋰離子電池產熱的影響，表明電池溫度隨著循環次數和擱置時間的增加而增加;林春景等人[14-16]對不同溫度下鋰離子電池溫升進行了實驗研究，結果表明，隨著外界環境溫度的增加，電池溫升越來越大;張亞徽等人[17-19]研究了充放電倍率對電池溫升的影響。以上研究只是定性分析了各因素對鋰電池溫升的影響，而沒有定量分析各因素的影響程度。因此，本文以18650LiCoO2電池為實驗對象，采用等溫量熱儀和充放電儀，對鋰離子電池充放電過程中的熱行為進行研究，定量分析了環境溫度及充放電倍率對鋰離子電池產熱量的影響。該研究為鋰電池的安全應用奠定了基礎。

1 實驗方案

為了實現不同倍率及溫度的測試，鋰離子電池熱特性實驗平臺如圖1所示。主要包括電池、等溫量熱儀、電池充放電柜等設備。測試電池為某公司生產的18650LiCoO2電池，容量為2 000 mA·h，標稱電壓為3.7 V。為了確保電池正常充放電，根據GB/T31486—2015[20]對充放電儀編寫如下程序：充電時，設置恒流充電終止電壓為4.2 V，恒壓充電終止電流為10 mA;放電時，設置恒流放電終止電壓為3.0 V。等溫測量儀的作用是記錄充放電過程中電池的吸放熱數據及提供實驗過程中所需要的環境溫度，以此來模擬鋰離子電池在不同環境溫度下真實的吸放熱狀態。電池充放電設備為青島美凱麟科技股份有限公司的MCT8-50-05充放電儀。實驗過程中，鋰離子電池置于isoBTC等溫量熱儀（設備可使用溫度范圍：-40～200 ℃，溫度精度為0.01 ℃）內，在其表面布置溫度傳感器和功率加熱片（將電池溫度維持在設定溫度），實時采集實驗數據。

2 鋰離子電池放電熱特性研究

2.1 放電倍率的影響

為了研究放電倍率對電池吸放熱特性的影響，本文以0.3，0.5，1 C的放電倍率，分別對LiCoO2電池進行放電。首先將電池放到等溫量熱儀中，控制電池溫度為20 ℃條件下，將電池充電至滿電狀態，擱置1 h，然后以0.3 C倍率進行恒流放電，放電截止電壓3.0 V，重復上述步驟完成0.5 C及1 C倍率放電實驗。記錄不同倍率放電過程中鋰離子電池的吸放熱數據，電池放熱功率及放熱量與時間變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，鋰離子電池的放熱速率隨著放電倍率的增加明顯上升。0.3 C放電過程的放熱速率從0上升到0.18 W，0.5 C放電過程的放熱速率從-0.08 W上升0.33 W，1.0 C放電過程的放熱速率從0.01 W上升到1.05 W，主要原因是放電倍率增大，導致電池的生熱功率增大;0.3 C放電時，鋰離子電池的放熱速率基本穩定，且數值較小，隨著放電進行到后期（SOC≤10%），由于此時電池的極化內阻增加，導致放熱速率小幅增加。

由圖2還可以看出，0.5 C放電時，放電初期電池放熱功率為負值，即放電初期電池內部存在一定的吸熱反應，直到放電進行4 min后，電池由吸熱狀態轉變為放熱狀態;放電中期（10%

為了研究充放電倍率對后期極化內阻產熱的影響，取后10 min電池平均放熱功率進行分析，不同倍率時，電池平均放熱功率如表1所示。由表1可以看出，0.3 C放電后期，電池平均放熱速率僅為0.143 W;而1 C放電后期，電池平均放熱速率為0.902 W，增幅530.5%，因此，電池以大倍率放電時，需采取一定的冷卻措施。

2.2 環境溫度的影響

為了研究外界環境溫度對LiCoO2電池吸放熱的影響，將電池放到等溫量熱儀中，并控制電池溫度為20 ℃，通過充放電儀，將LiCoO2電池充至滿電狀態，并靜置1 h，再在某一溫度下進行恒流放電。在不同環境溫度下，電池放熱功率及放熱量與時間變化曲線如圖3所示。

在不同環境溫度和不同放電倍率下，鋰離子電池平均放熱量如表2所示。由圖3和表2可以看出，在同

一放電倍率下，隨著溫度降低，電池的放熱速率雖然不斷增大，但是總的放熱量可能會減小。由圖3c可以看出，在20 ℃下，電池產熱總量為1.47 kJ，而在0 ℃下，電池放熱量僅為0.48? kJ，這是因為隨著環境溫度降低，電池的放電時長不斷減小;在同一放電倍率下，LiCoO2電池放電初期的平均放熱量隨著溫度的下降而增加。

為了研究放電初期LiCoO2電池的平均放熱量，取前20 min平均放熱量變化情況作為參考，以0.3 C倍率放電為例，0.3 C 的LiCoO2電池平均放熱量如表3所示。

由表3可以看出，同一放電倍率下，環境溫度與電池平均放熱量成負相關關系，即環境溫度越低，鋰離子電池的平均放熱量越高。

3 鋰離子電池充電過程熱特性研究

3.1 充電倍率的影響

為研究LiCoO2電池吸放熱特性隨充電倍率的變化情況，以室溫20 ℃為例，實驗過程如下：首先使電池以0.3 C倍率在室溫下將電量放空，靜置1 h;再以某一倍率將電池以先恒流再恒壓的方式充滿。不同充電倍率下，電池放熱功率及放熱量與時間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，恒流充電階段放熱量增加較快，恒壓階放熱量增加緩慢。這是因為LiCoO2電池的產熱主要包括可逆反應熱和不可逆反應熱，恒流階段充電電流較大，電池由于克服內阻產生的不可逆熱增加，導致電池放熱量較大。由于恒壓階段電流小，且時間較短，故恒壓階段電池放熱量變化不太明顯。

恒流充電階段，LiCoO2電池的放熱總量隨充電倍率的增大而增大。0.3 C充電時，最高放熱量為0.65 kJ;0.5 C充電時，最大放熱量為0.77 kJ;1 C充電時，最大放熱量為1 kJ。相同倍率下，充電過程中LiCoO2電池的放熱總量比放電過程小。先恒流再恒壓充電過程中，恒流階段產熱量比恒壓階段產熱量多，所以恒流充電階段是LiCoO2電池內部熱量積聚的重要階段。

3.2 環境溫度的影響

為研究充電過程中LiCoO2電池產熱與環境溫度的關系，將電池置于不同環境溫度進行充電實驗，由于整個充電階段LiCoO2電池的放熱量較小，故以0.3 C倍率為例進行恒流-恒壓充電實驗，電池放熱功率及放熱量與時間變化曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，同一充電倍率下，LiCoO2電池的放熱速率隨溫度的降低而增大。40 ℃充電時的最大放熱速率為0.07 W，20 ℃時的最大放熱速率為0.09 W，而0 ℃時的最大放熱速率為0.2 W;恒流充電過程中，同一充電倍率下，環境溫度越高，LiCoO2電池放出的總熱量越少，甚至當電池達到一定高的溫度，恒流充電初期會出現短暫的吸熱反應。由圖5還可以看出，充電時長與溫度呈負相關關系，即環境溫度越低，充電時間越長，0 ℃與40 ℃相比，充電時間由197 min增加到217 min，增加10.2%，嚴重影響LiCoO2電池的充電性能。

4 結束語

本文采用等溫量熱儀和充放電柜等設備，測量了電池在不同條件下的吸放熱特性，并對比分析了環境溫度及充放電倍率對電池吸放熱特性的影響。研究結果表明，通過對比電池充放電過程中產熱發現，相同條件下，當電池充電時，恒流充電階段電池最大產熱速率總比恒壓階段大;當電池放電時，由于放電后期極化內阻產熱不斷增加，導致電池最大產熱速率總出現在放電末期，在整個充放電過程中，LiCoO2電池的放熱量比充電過程大;環境溫度越低，鋰離子電池充/放電過程中的放熱量越大。通過對比高溫（40 ℃）與低溫（0 ℃）電池產熱速率變化發現，溫度降低對電池產熱速率影響更大;同時，隨著溫度的降低，電池充電效率明顯降低，0 ℃與40 ℃相比，LiCoO2電池充電時長增加了10.2%，嚴重影響了電池的充電性能，所以低溫充電時，應適當對電池預熱以提高電池的充電性能;充放電倍率對鋰離子電池放熱速率具有顯著的影響，充放電倍率越大，電池放熱速率峰值越高。LiCoO2電池1C充放電最大放熱速率較0.3C增幅分別為350%和460%，所以LiCoO2電池以較大倍率充放電時，須采取相應的冷卻措施;該研究分析了不同階段LiCoO2電池的吸放熱特性，為LiCoO2體系電池的建模提供了理論依據，實驗所用方法，可為其他類型鋰電池的相關研究提供參考。

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