电压一致性对锂离子电池串联使用的影响

莫治波，茅宁，梅金辉，张琦，高耸

（天津力神电池股份有限公司，天津 300384）

MO Zhi-bo,MAONing,MEIJin-hui,ZHANGQi,GAO Song

电压一致性对锂离子电池串联使用的影响

莫治波，茅宁，梅金辉，张琦，高耸

（天津力神电池股份有限公司，天津 300384）

测试功率型18650单体电池在不同充电电压下的循环寿命和不同放电电流的过放电循环寿命。定量造成电池包中的电池差异，模拟了在串联使用中单节电池自放电导致电池组电压不一致，从而在循环过程中单体电池发生过放电，导致电池组循环寿命的衰减。用三电极体系测量了真实电池在充放电时的正负极电位关系，分析了提高电池耐过放性能的方法。

锂离子电池；一致性；过充；过放；串联；三电极

锂离子电池的一致性是使用者对电池的要求。在多串并领域，电池的不一致影响电池的使用性能，甚至会带来一些安全隐患。多串并使用中导致电池不一致的因素很多，有电池本身的原因，比如容量不一致、自放电率不一致、内阻不一致、寿命不一致；也有外部原因，比如电池散热环境不同、电池间连接内阻不同，甚至检测电路导致各路放电不均。本文主要讨论电压不一致对电池多串并使用的影响。电池电压不一致是实际使用中常常遇到的问题，并且电压也是电池管理系统最重要的监控参数。在实际应用中，导致电池电压不一致的原因主要是容量不均和电池自放电，而电池的电压不一致主要是影响电池的串联使用。

1 实验

本文测试所用电池为圆柱型功率18650电池。

电池的三电极测试，参比电极使用直径为1mm的镍丝，将镍丝圆周表面包裹金属锂片，在玻璃面上研磨，使新鲜的锂金属紧紧包裹在镍丝上，作为金属锂参比电极。将18650电池放电后，用钳子去掉其电池盖。然后将参比电极插入极组中心孔里，并在中心孔里注入电解液，放上预先打好孔的PP材质的塑料盖，用Parafilm胶带进行密封，最后在湿度小于1%的干燥间里进行三电极体系测量。

1.1 单体电池不同充电电压的循环寿命

如图1所示，电池充电电压超过4.25 V后，正极材料的热稳定性降低，电池的阻抗增加，电池循环寿命下降。

图1 不同充电电压循环寿命

1.2 单体电池过放电的循环寿命

由图2可知，过放电到1 V，大电流放电或小电流放电时电池寿命都将明显衰减，而在1放电下电池循环寿命低于10放电，小电流放电时电池过放更严重。过放电时，电池内阻增大，同时产生气体，电池内部气压增大，CID工作，电池失效。

图2 1与10过放电循环寿命

1.3 电压一致对电池包循环寿命的影响

图3 5S1P电池组循环寿命

图4 5S1P电池组放电中各节电池电压

图5 5S1P电池组充电中各节电池电压

1.4 真实电池三电极体系充放电

18650电池三电极测试曲线如图6所示。

图6 真实电池三电极体系放电曲线

放电过程中，Li将从负极回到正极，放电末期，由于负极上Li的减少，负极电位上升，负极SEI膜组分氧化，甚至导致Cu箔的溶解。对于某一副反应，参考巴特勒-伏尔摩公式[1]。

电池受损的程度决定于幅反应的量，通过以上公式可知提高电池耐过放能力有以下途径：

（1）降低放电末期负极的平衡电位。可以通过改变正负极的电位关系，减缓放电末期负极电位的升高，放电末期负极剩余一部分的锂容量也能降低负极的电位。如果电池放电效率大于100%，从负极电位的角度看，这不利于电池的耐过放。

（2）减少电池处于过放电期间的时间。利用不同体系材料的放电特性，让电池在放电末期的曲线更陡，这样处于过放电电位所跨度的更少，那么在一定的电流下，电池处在过放电的时间就减少了。

2 结论

本文测量了18650锂离子电池在不同充电电压以及不同放电电流下放电到不同电压的循环性能，并人为造成初始差异，模拟电池自放电导致串联电池包电压不一致，在没有单节过充过放的保护下，电池循环寿命因为单节电池的过放电而导致电池包失效。真实电池的三电极体系测试表明放电末期负极电位的变化关系，并从理论上分析了提高电池耐过放性能的方法和手段。

[1]郭鹤桐，姚素薇.基础电化学及其测量[M].北京：化学工业出版社，2009.

Influence of voltage balance on lithium battery seriesapplication

The cycle life of power 18650 lithium cell at different charge voltages and over-discharge cycle life at different discharge currents were tested.Fixed quality leading the cell different,voltage imbalance in series battery lead by cellself-discharge was simulated,so during cycle life testing,one cellwas over-discharged,making cycle life ofbattery decade.Cathode and anode voltage correlation curve of the battery during charge and discharge was tested through three electrode system,and the method of improving the cell enduring over-discharge performance was discussed.

lithium battery;balance;over-charge;over-discharge;series;three electrode

TM 912.9

A

1002-087 X(2014)05-0826-02

MO Zhi-bo,MAONing,MEIJin-hui,ZHANGQi,GAO Song

2013-10-18

莫治波(1981—)，男，四川省人，硕士，技术经理，主要研究方向为锂离子电池。