基于實驗數據的21700鋰電池對比分析

徐 晶 ，徐 鑫 ，相飛飛 ，施蘇航

（揚州大學，江蘇 揚州 215000）

0 引言

21700鋰電池由于具有能量密度高、成本低的優勢，一經推出就在電動汽車行業引發替代18650鋰電池的狂潮。研究發現，同種材料的21700鋰電池的能量密度要比18650鋰電池要高出35%[1-2]。針對18650鋰電池的研究已經十分詳實，但關于21700鋰電池的文獻卻寥寥無幾。通過對市面上不同型號的21700鋰電池的評測，發現不同型號的21700鋰電池之間的性能也有較大差距[3-5]。因此，在21700鋰電池的選型當中也需要格外注意。然而，之前研究的對象都是不同規格之間的鋰電池，如Jason B. Quinn等對比分析了18650與21700電池在能量、容量、能量密度、內阻和熱特性、成本上的差異[6]。Thomas Waldmann等在電化學、熱學和幾何性質方面，將經典的18650鋰離子電池與新的21700鋰電池進行了直接比較[7]。因為18650型與21700型電池在尺寸、工藝等方面相差很大，所以鮮少有同規格鋰電池之間的直接對比[8]。

關于18650鋰電池的熱力學特性的實驗與仿真研究已經有很多，主要是針對同一型號的電池在不同工況下的比較[9-10]，所以通過直接對比與深入了解不同型號的鋰電池之間的差異性和相似性是非常有必要的。基于此，本研究選用相同規格不同型號的21700鋰電池在多個尺度進行對比分析，通過熱電偶傳感器采集電池在不同工況下放電的表面溫度，來獲取放電時21700鋰電池的熱力學性能。此外，還通過電壓和容量這兩方面進行補充，以此對鋰電池性質進行深入研究。

1 實驗

1.1 實驗對象

本研究選用同一公司生產的兩款不同規格的電池，確保生產技術及管理的一致性。這兩款電池的基本參數如表1所示。

表1 鋰電池基本參數

1.2 實驗儀器

本次研究對象為21700型鋰電池，實驗臺架包括21700型鋰電池若干、1個鋰電池充電器、1個330-00A恒溫箱、3根K型熱電偶、1個RS20K-C熱電偶溫度變送器、1個TEC-80K型大功率電子負載、1個自制電池測試架、1個電池內阻測試儀、2個USB轉485數據采集器以及1臺筆記本電腦。330-00A恒溫箱用于模擬恒溫環境，RS20K-C熱電偶溫度變送器用于采集電池的表面溫度，USB轉485數據采集器用于接收或發送信號，TEC-80K型大功率電子負載用于對鋰電池以不同放電倍率進行恒流放電，同時還能采集放電的電壓和電流，電池測試架用于固定電池，筆記本電腦用于采集處理數據，實驗儀器具體的性能參數如表2所示。

表2 實驗儀器性能參數表

1.3 實驗方法

為了保證實驗對象的一致性，首先要對電池進行初選，盡可能地選擇出電阻一致的電池進行實驗，本研究準備了A型和B型電池各50個，對這些電池進行內阻測試，內阻測試原理圖如圖1所示。

圖1 內阻測試原理圖

對電池內阻測試完成后，再對電池進行容量測試，從各型電池中分別選擇5個容量和電阻均較一致的電池進行熱力學性能實驗分析，原理圖如圖2所示。具體實驗流程如下：將鋰電池充電至截止電壓4.2 V靜置1 h后，再將電池放在恒溫環境下靜置1 h，當鋰電池的測試點的溫度與設定溫度值相差±1 ℃時，對鋰電池進行放電倍率為0.5C~2C以及環境溫度為25 ℃~40 ℃的熱力學實驗。

圖2 熱力學性能實驗原理圖

2 結果與討論

本研究對50個A型和B型鋰電池的內阻實際測量值進行了對比，結果如圖3所示。由圖3可知，B型電池的內阻均低于A型電池的內阻，A型和B型電池的平均電阻分別為15.3 mΩ和6.6 mΩ，平均內阻差值為8.7 mΩ，A型和B型電池內阻的最大差值分別為1.9 mΩ和2.9 mΩ。

圖3 A型和B型鋰電池內阻

40T和50G鋰電池不同環境溫度下0.5C放電倍率壓降圖如圖4所示。在放電初期DOD=0~0.1區間內，電壓下降速率較快，這是由于放電初始電池端電壓是從浮充電壓轉化為開路電壓。在放電中期DOD=0.1~0.8區間內，電壓下速率較為平滑穩定。在放電后期DOD=0.8~1區間內，電壓急速下降至截止電壓。從圖4中可以看出，環境溫度越高，電壓值也就越大，這是因為在合理的溫度范圍內，隨著溫度的升高，電解液的傳輸速度更快，導致鋰離子遷移速度加快，從而提高了輸出功率。從整體來看，不同環境溫度下以0.5C放電倍率進行放電時，40T鋰電池的電壓值均低于50G鋰電池，40 ℃時40T電池的放電電壓與25 ℃時50G電池的放電電壓相接近。因此，相同環境溫度以及放電倍率下，50G鋰電池的輸出功率更高。

圖4 40T和50G鋰電池不同環境溫度下0.5C放電倍率壓降圖

25 ℃的恒溫環境下，以0.5C~2C的放電倍率進行放電時，40T鋰電池與50G鋰電池的容量圖如圖5所示。由圖5可知，相同環境溫度下隨著放電倍率的增大，電池的放電容量逐漸降低，50G鋰電池在1C、1.5C、2C放電倍率下的容量衰減幅度均大于40T鋰電池。因此，40T鋰電池在不同放電倍率下的容量穩定性更好。

圖5 相同環境溫度不同放電倍率的容量圖

40T和50G鋰電池在25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃環境溫度下以0.5C放電倍率進行恒流放電時的容量圖如圖6所示。由圖6可知，在相同放電倍率下進行恒流放電時，隨著環境溫度的升高，40T和50G鋰電池的放電容量都隨之升高。在30 ℃、35 ℃、40 ℃環境溫度工況下，50G鋰電池的容量增長幅度均大于40T鋰電池。因此，50G鋰電池在較高環境溫度下有更大的容量。

圖6 相同放電倍率不同環境溫度的容量圖

40T和50G鋰電池在以1C放電倍率進行恒流放電時，在不同環境溫度下的電池表面溫度對比如圖7所示。從整體來看，放電時鋰電表面溫度的上升速率呈先上升后下降再上升的趨勢，這是由于放電初期由于電池本身的內阻，生熱率快速上升，中期由于放電穩定，因此溫升速率降低，放電后期內阻受溫度影響，溫升速率又呈上升趨勢。由圖7可知，在25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃恒溫環境下，40T鋰電池整體溫升曲線均高于50G鋰電池。因此，在不同環境溫度下進行恒流放電時，50G鋰電池溫度均一性更好。

圖7 40T和50G鋰電池相同放電倍率不同環境溫度的溫升曲線

40T和50G鋰電池在25 ℃恒溫環境下，以不同放電倍率進行放電的電池表面實際測量溫度的對比如圖8所示。由圖8可知，在同一環境溫度下，40T鋰電池和50G鋰電池的放電電流越大，電池表面溫度的上升速率也越快；放電電流越小，電池表面溫度上升速率越慢。40T鋰電池在25 ℃恒溫環境下以0.5C、1.0C、1.5C、2.0C的放電倍率進行放電的實際測量溫度的最高溫度分別為35.3 ℃、48.8 ℃、59.9 ℃、66.2℃。50G鋰電池在25 ℃恒溫環境下以0.5C、1.0C、1.5C、2.0C的放電倍率進行放電的實際測量溫度的最高溫度分別為32.3 ℃、39.7 ℃、49.4 ℃、58.1 ℃。50G鋰電池的最高溫度均比40T鋰電池的低，且在1.5C放電倍率時，最高溫度差達最大值10.5 ℃。兩款電池溫升趨勢相近，但在相同環境溫度不同放電倍率工況下，50G鋰電池的溫升均低于40T鋰電池。

圖8 40T和50G鋰電池相同環境溫度不同放電倍率下的溫升曲線

3 結果與結論

本研究通過實驗對比兩款相同規格不同型號的21700鋰電池的內阻，研究了兩款電池在環境溫度、放電倍率這兩關鍵因素下的電壓、容量、放電溫度。主要結論如下：

1）40T鋰電池內阻小于50G鋰電池內阻，平均差值為8.7 mΩ。

2）在相同環境溫度以及放電倍率下，50G鋰電池放電電壓均高于40T鋰電池，因此50G鋰電池的輸出功率更高。

3）在相同環境溫度下隨著放電倍率的增大，50G鋰電池的容量衰減幅度均大于40T鋰電池，40T鋰電池在不同放電倍率下的容量穩定性更好；在相同放電倍率下隨著環境溫度的升高，50G鋰電池的容量增長幅度均大于40T鋰電池，50G鋰電池在較高環境溫度下有更大的容量。

4）在相同放電倍率不同環境溫度下，50G鋰電池溫升曲線均低于40T鋰電池；在相同環境溫度不同放電倍率工況下，50G鋰電池的溫升均低于40T鋰電池。因此，50G鋰電池有更好的溫度穩定性。