低温环境对动力锂电池放电特性影响

肖 飞，谢世坤，张庭芳,章文忠, 王 丹

低温环境对动力锂电池放电特性影响

肖 飞1，*谢世坤2，张庭芳1,章文忠1, 王 丹1

(1.南昌大学机电工程学院，江西，南昌 330031; 2.井冈山大学机电工程学院，江西，吉安 343009)

针对锂离子电池在新能源汽车上的应用前景及其低温条件下的性能限制，尝试对锂离子电池在低温条件下进行放电实验，探讨其在低温条件下的放电性能。本文利用烤燃设备对5Ah锂离子电池充电、放电，通过示波器记录其端电压，观察低温时锂离子电池端电压的变化情况。实验后，静置24小时，测量锂离子电池电压恢复情况。然后对实验数据进行整理分析，通过取点绘制曲线，分别比较0.5C、1.0C放电电流情况下和-20~20℃各温度下锂离子电池的放电性能。综合分析可知，随着温度的降低，锂离子电池的放电性能变差；随着放电倍率的提高，电池的放电容量逐渐减小。

锂离子电池；低温；放电倍率；放电性能

在室温下，由于锂离子电池具有长寿命、低自放电率、高比能量密度及长的贮放时间而被广泛使用。但在低温时，锂离子电池容量有很大的衰减，低温循环后，重新放置于室温，其容量亦不能恢复到室温时的容量[1]。由于锂离子电池在新能源汽车上的应用前景及其低温条件下的性能限制，国内、外都对其低温条件下的放电性能进行了丰富的研究。

北京大学陈继涛[2]研究了低温(-20 ℃)对锂离子电池充放电性能的影响，并与常温(25 ℃)性能作了比较。研究发现：在低温条件下电池的放电性能显著变差。0.2 C放电时，放电容量仅为常温放电容量的77 ％，放电电压比常温时降低了0.5 V；1 C放电时,放电容量仅为0.2 C放电容量的4％。国外对锂离子电池低温性能研究主要集中在欧美、日本、韩国等发达国家。Smart[3]等人对电解液的低温研究主要在负极上，他们普遍认为负极表面SEI膜是锂离子传递过程中的主要阻力。这一假设主要建立在锂/石墨电池的电化学交流阻抗研究的两个现象基础上：(1)表面膜阻抗Rsez大于电解液本体阻抗Re；（2）在-20℃以下的温度范围内，Rsez随温度的变化与半电池性能恶化相一致，而在这温度范围内电解液的电导率并没有急剧地下降[4-5]。

低温性能是锂离子电池的重要性能指标之一[6]。本文通过实验测试不同温度时电池的性能，在低温下容量有较大衰减，低温循环后重新放置室温其容量也难以恢复到初始容量。因此，为了更清楚地认识锂离子电池的低温性能，本文主要研究了锂离子电池在低温条件下的放电性能，分别研究温度值在-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃时和放电电流在0.5 C和1 C时的性能。

1 实验

1.1 实验样品及装置

图1 烤燃实验系统

1 可控温湿度实验箱 2电池 3放电电流控制器 4负载 5记录仪

本文以LiFePO4锂离子电池(尺寸125 mm ×70 mm×8 mm，单块电池额定容量为5Ah，工作电压为2.0~3.3 V，外壳为铝塑薄膜)为研究对象，以烤燃测试系统为装置对锂离子电池进行低温实验。烤燃测试系统如图1所示，包括高低温实验箱1、电池2、放电电流控制器3、负载4和记录仪5。实验时，高低温实验箱与放电电流控制器相结合，实现温度、放电电流等实验条件的设定与控制，并利用记录仪对实验数据进行记录和处理。

表1 锂离子电池低温放电实验方案

1.2 实验方案

为分析LiFePO4锂离子电池低温性能，本文通过烤燃测试系统对锂离子电池在低温条件下进行放电实验，分别研究锂离子电池在-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃温度时的放电性能和0.5 C、1 C放电电流时的放电性能。具体实验方案如表1所示。

2 实验过程

(1)根据放电实验方案表1设置实验条件；

(2)待高低温实验箱稳定到实验所设置的条件时，将静置1天后端电压为3.3 V的单体LiFePO4锂离子电池放入实验箱中；

(3)将实验电池在高低温实验箱中保温1 h，使其达到热平衡；

(4)接通放电电路开始实验，实验过程中不关断放电回路，测量电池实际工作电压；

(5)当电池放电至最低工作端电压2.0 V时，停止放电，并记录放电过程中的相关数据。

3 实验结果分析

3.1 温度对锂离子电池低温性能的影响

不同温度时，电池分别以0.5 C和l.0 C倍率放电的性能曲线如图2和图3所示。从图中可以看出，在20 ℃时，锂离子电池表现良好的放电性能，当温度下降到0 ℃时，锂离子电池放电性能曲线出现较大变化，其放电量明显降低，放电均压下降，当温度下降到-20 ℃时，此时锂离子电池放电时间缩短，放电量明显降低。0.5 C倍率放电时，在-20 ℃时，电池的放电容量仅为20 ℃温度时的51.2 %；1.0 C倍率放电时，-20 ℃时电池的放电容量为20 ℃时的61.5 %；而且随着温度的降低，电压也随之降低，说明锂离子电池在低温时放电性能变差。

这是因为文献[7]中提到随着温度的降低，电解液的离子导电率随之降低，SEI膜电阻和电化学反应电阻随之增大，导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大，在电池的放电曲线上就表现为放电均压和放电容量均随温度的降低而降低。

另外，从图2和图3可知，与20 ℃时放电曲线相比，-20 ℃的放电曲线不但放电电压分别下降了0.85 V和0.46 V，而且20 ℃时的放电曲线在放电后期，电压下降得较快，出现相对明显的拐点，-20 ℃的放电曲线在放电后期，电压下降的虽然也较快，但未出现明显的拐点。

图2 0.5C不同温度时的放电曲线

图3 1.0C不同温度时的放电曲线

3.2 放电电流对锂离子低温性能的影响

-20 ℃到20 ℃时电池在0.5 C及l.0 C倍率时的放电曲线如图4-图8所示。从图中可以看出，随着放电倍率的提高，电池的放电容量逐渐减小。1.0 C放电容量降低较为明显，在20 ℃时，1C放出的容量仅为0.5 C放出容量的60.5%。

图4 -20℃时0.5C和1C的放电曲线

但相对20 ℃来说，-20 ℃时，1 C和0.5 C的放电容量差别就明显小了。说明低温条件下，高倍率放电性能恶化，因为低温时，放电电流较小时，锂离子脱出和嵌入的速度也较小，正负极材料颗粒内外层浓差极化相对较小；而高倍率放电时，锂离子在固相颗粒中低的传输速度限制了其嵌入和脱出，极化增大，正负极间的电势差偏小，电池的放电电压降低。放出相同电容量时，电池的端电压也降低，放电曲线向下偏移。放电终止时，负极颗粒内部剩余的锂离子比例越高，放电越不完全，容量越低。

图5 -10℃时0.5C和1C的放电曲线

图6 0℃时0.5C和1C的放电曲线图

图7 10℃时0.5C和1C的放电曲线

图8 20℃时0.5C和1C的放电曲线

4 结论

本文以FeLiPO4锂离子电池为研究对象，利用烤燃测试系统对锂离子电池进行放电测试，得出以下几个结论：

(1)锂离子电池的低温性能主要与电池的电解液、正负极材料等密切相关；

(2)随着温度的降低，锂离子电池的放电性能变差，放电电压显著降低，放电容量明显减小；

(3)随着放电倍率的提高，电池的放电容量逐渐减小，1C放电容量相对0.5 C降低较为明显；

(4)-20 ℃低温搁置后，锂离子电池外形没有发生变化，循环性能良好，电化学性能基本恢复，说明锂离子电池低温搁置性能良好。

总之，低温导致电池的极化更为严重，放电更不完全，放电容量减小，电压降低。高倍率放电时，这种影响更为显著。

[1] 付庆茂，文钟晟，赖春艳，等. 第十二届中国固态离子学学术会议[C].2004.

[2] 陈继涛,周恒辉,倪江锋，等.C/LiCoO2系锂离子电池低温充放电性能[J].电池,2004,34(2):90-92.

[3] Smart M C, Ratnakumar B V, Surampudi S, et al. Use of Organic Esters as Cosolvents in Electrolytes for Lithium-Ion Batteries with Improved Low Temperature Performance[J].Journal of the Electrochemical Society, 2002, 149(4):A361-A370.DOI:10.1149/1.1453407.

[4] Plichta E J，Behl W K．in Proceedings of the 38th Power Sources Conference[C]. Cherry Hill, NJ, 1998: 444.

[5] Zhang S S, Xu K, Allen J L, et a1. Effect of propylene carbonate on the low temperature performance of Li-ion cells[J]. J. Power Sources, 2002, 110: 137.

[6] 李青海,蒲薇华,任建国,等.锂离子电池低温性能的研究[C].中国储能电池与动力电池及其关键材料学术研讨会论文集, 2005:111-112.

[7] 谢晓华,解晶莹,夏保佳,等.锂离子电池低温充放电性能的研究[J].化学世界,2008,49(10):581-583,614.

THE DISCHARGE PERFORMANCE OF LITHIUM-ION BATTERY AT LOW-TEMPERATURE ENVIRONMENT

XIAO Fei1，*XIE Shi-kun2, ZHANGTing-fang1, ZHANG Wen-zhong1, WANG Dan1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China;2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an,Jiangxi 343009, China）

Based on its application prospects on new energy vehicles and its limitation on performance at low temperature, the test on Lithium-ion battery discharge at low temperature was conducted, and discharge character at low temperature was discussed in this paper. The charge and discharge experiments of the Lithium-ion battery with the capacity of 5Ah were made by using cook-off devices. The voltage waveforms were recorded on oscilloscope by observing the change of voltage. Lithium-ion battery was set aside for about 24 hours after the test and recovery condition of voltage of the Lithium-ion battery was measured. By sorting and analyzing the experimental data and drawing curve, the discharge performance of the Lithium-ion battery between -20℃and 20℃ and the discharge current at 0.5C and 1.0C were compared. The experimental results show that the discharge performance of Lithium-ion battery becomes poor with the temperature decreasing and the discharge capacity decreases with the increasing of the discharge rate.

Lithium-ion battery; low temperature; discharge rate; discharge performance

TG146.2+63

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2012.05.014

1674-8085(2012)06-0061-04

2012-06-18；

2012-08-25

国家自然科学基金项目 (51165010); 江西省科技支撑计划项目(20112BBE50002);国家大学生创新性实验计划(101040319)

肖 飞(1986-)，男，湖北襄阳人，硕士生，主要从事电动汽车电池性能与安全研究(E-mail:flyshaw1986@163.com);

*谢世坤(1973-)，男，江西吉安人，教授，博士，硕士生导师，主要从事轻合金材料成型工艺控制的研究(E-mail:xskun@163.com);

张庭芳(1971-)，女，江西南昌人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事电动汽车电池性能与安全方面的研究(E-mail:tfzhang@ncu.edu.cn);

章文忠(1990-)，男，江西抚州人，本科生，主要从事电动汽车电池性能与安全研究(E-mail:602629216@qq.com);

王 丹(1989-)，男，江西吉安人，本科生，主要从事电动汽车电池性能与安全研究(E-mail:752692599@qq.com).