内阻差异对锂离子电池性能的影响

王双双，李新峰，张沿江,臧　强

(合肥国轩高科动力能源有限公司 工程研究院，安徽 合肥 230011)



内阻差异对锂离子电池性能的影响

王双双，李新峰，张沿江,臧强

(合肥国轩高科动力能源有限公司 工程研究院，安徽 合肥 230011)

选用正负极体系相同但交流内阻不同的3款锂离子全电池进行电性能测试，比较不同的交流内阻对电池不同放电深度(DOD)下的开路电压、直流阻抗、功率的影响.结果表明：交流内阻的差异对锂离子全电池不同DOD下的开路电压影响不大；交流内阻越大的锂离子全电池相应的直流阻抗也越大，内阻差异在脉冲电流越大时对直流阻抗的影响越明显，在10%～80%DOD区间内，同一交流内阻的锂离子全电池直流阻抗变化不大；交流内阻小的锂离子全电池的功率较强，在深DOD区间下，锂离子全电池的功率明显降低.

锂离子电池；交流内阻；直流阻抗；功率性能

近年来，随着3C电子产品(如笔记本电脑、移动电源和电动工具等)的市场日益庞大，以及电动汽车市场的逐步扩大，世界各国均在大力开发高能量、高功率的锂离子动力电池[1]，我国也将二次电池列为电动汽车重大专项进行研究.电池的内阻是表征电池寿命以及电池运行状态的重要参数[2]，是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的主要标志.

对于高功率的电池来说，电池的放电倍率很大，在设计中应尽量减小电池的内阻，确保电池能够发挥其大功率特性.对材料颗粒表面进行碳包覆，以形成颗粒间的导电接触，以提高整个电极的导电能力[3-5].使用涂碳铝集流体可以使得正极颗粒与集流体间的电子传输更为便利，并可减小铝箔的氧化和电解液对铝箔的腐蚀[6].陈萍等[7]发现正极使用CNT或导电铝箔可降低电池使用过程中的内阻.Dominko等[8]认为涂碳铝集流体的涂碳层可以提供足够的电子，从而避免导电性较差的磷酸铁锂颗粒与铝箔集流体之间的极化.姚汪兵等[9]发现氧化铝陶瓷涂层能有效提高隔膜对电解液的吸附性，降低隔膜的界面阻抗.郭锋等[10]发现涂覆1μm隔膜制备的电芯内阻较常规隔膜制备的电芯要下降20%以上.

电动汽车用锂离子电池的功率特性能反映出锂离子全电池在实际工况状态下的电池性能[11].为评价电动汽车用锂离子动力电池的特性，常采用脉冲充放电的测试方式评价电池性能[12].目前关于内阻差异对锂离子电池安全性能及温升影响的研究较多[13-14]，但关于内阻差异对锂离子全电池开路电压、直流阻抗、功率特性的影响鲜有报道.笔者以磷酸铁锂-碳体系的锂离子全电池为研究对象，选取2组不同脉冲电流进行测试，研究不同的交流内阻对电池不同放电深度(DOD)下的开路电压、直流阻抗、功率的影响.

1　实　验

1.1电池制备

该全电池正极活性材料是磷酸铁锂LFP，负极活性材料为人造石墨.电解液为1mol·L-1的LiPF6，溶剂为EC+DMC+DEC.将正极材料在N-N二甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂中合浆，负极材料在水溶剂中合浆，然后将正负极浆料分别涂在铝箔和铜箔集流体上，再经制片、卷绕、组装等工序组装成电池.经化成、分容等工序，制备出1865140型动力锂离子全电池.通过改变电池设计，共制备3款交流内阻不同的锂离子全电池，其内阻分别为5.5，3.4，1.4mΩ.

1.2电池性能测试

使用美国FreedomCAR项目《功率辅助型混合动力汽车用动力电池测试手册》中的混合脉冲功率特性测试方法(hybridpulsepowercharacterization, 简称HPPC)，可以测试电池不同放电深度(DOD)下的开路电压、直流阻抗及功率等，此方法简单快捷[15-16].根据脉冲充放电过程中控制参数的不同，脉冲充放电可以分为控制电流的脉冲充放电和控制功率的脉冲充放电，笔者采用控制电流的充放电进行实验，对电池分别进行脉冲放电电流为4I1与5I1的混合脉冲功率特性测试.为了得到不同放电深度下的内阻对电池性能的影响，以10%的DOD为一个间隔点，在各点上对锂离子电池进行HPPC脉冲充放电，放电及充电脉冲时间均为10s.锂离子全电池测试使用新威CT-3004W-5V100A-TF电池检测柜.

2　结果与讨论

2.1内阻差异对开路电压的影响

图1　4I1脉冲电流下的开路电压与放电深度的关系曲线Fig.1　　　　The curves of open circuit voltage with different DOD at 4I1 current

图1为4I1脉冲电流下的开路电压与放电深度的关系曲线.

由图1可知，在4I1的脉冲电流下，电池在DOD的10%～80%范围内，开路电压(OCV)随放电深度(DOD)的变化并不明显，不同交流内阻的锂离子全电池表现出相同的趋势，即内阻差异对于电池不同DOD下的开路电压影响不明显.

图2为5I1脉冲电流下的开路电压与放电深度的关系曲线.由图2可知，脉冲电流为5I1时，电池在DOD的10%～80%范围内，开路电压(OCV)随放电深度(DOD)的变化不明显.

图2　5I1脉冲电流下的开路电压与放电深度的关系曲线Fig.2　The curves of open circuit voltage with different DOD at 5I1 current

对比图1，2可知，脉冲电流为5I1时的变化趋势与4I1时的基本一致，即二者内阻差异对于电池不同DOD下的开路电压影响均不明显.

2.2内阻差异对直流阻抗的影响

图3为4I1脉冲电流下的直流阻抗与放电深度的关系曲线.由图3可知，在4I1脉冲电流下，锂离子全电池的直流阻抗随着DOD的升高而增加，在DOD的10%～80%范围内，电池的直流阻抗变化不明显，表明此区间内的电池具有良好的大电流脉冲充放电能力.图4为5I1脉冲电流下的直流阻抗与放电深度的关系曲线.由图4可知，脉冲电流为5I1时，电池在DOD的10%～80%范围内，阻抗变化不明显，但在较深DOD区间内，电池阻抗增加较明显，即电池低SOC状态下的做功能力下降较大.对比图3，4可知，锂离子全电池在不同脉冲电流下，脉冲电流越大交流内阻差异对直流阻抗的影响越明显.

图3　4I1脉冲电流下的直流阻抗与放电深度的关系曲线Fig.3　　　　The curves of DC impedance with different DOD at 4I1 current

图4　5I1脉冲电流下的直流阻抗与放电深度的关系曲线Fig.4　　　　The curves of DC impedance with different DOD at 5I1 current

2.3内阻差异对功率的影响

图5为4I1脉冲电流下的功率与放电深度的关系曲线.由图5可知，在4I1脉冲电流下,锂离子全电池的功率随DOD的加深而降低，在浅DOD区间内，电池功率变化不明显，在深DOD区间下，电池功率明显降低.交流内阻为1.4mΩ的电池，50%DOD的功率可以达到741W；交流内阻为3.4mΩ的电池，50%DOD的功率可以达到464W；交流内阻为5.5mΩ的电池，50%DOD的功率可以达到262W，因此交流内阻直接影响锂离子全电池的功率.图6为5I1脉冲电流下的功率与放电深度的关系曲线.

图5　4I1脉冲电流下的功率与放电深度的关系曲线Fig.5　　　　The curves of pulse power with different DOD at 4I1 current

图6　5I1脉冲电流下的功率与放电深度的关系曲线Fig.6　　　　The curves of pulse power with different DOD at 5I1 current

由图6可知，在浅DOD区间内，电池功率变化不明显，在深DOD区间下，电池的功率明显降低，即低SOC深DOD状态下的功率下降较明显.对比图5，6可知，脉冲电流为5I1时电池的功率与4I1时相比稍有降低，为保证电池在实际应用中有较好的功率输出，电池荷电状态(SOC)需要控制在20%～80%之间.

3　结束语

在不同大小的脉冲电流下，内阻差异对于电池不同DOD下的开路电压影响均不明显.交流内阻越大的锂离子全电池相应的直流阻抗也越大；锂离子全电池脉冲电流越大，交流内阻差异对直流阻抗的影响越明显；在10%～80%的DOD区间内，同一交流内阻的锂离子全电池直流阻抗值变化不大. 锂离子电池的功率与交流内阻有直接关系，交流内阻小的电池相应的功率较强；电池的功率在浅DOD区间变化不明显，在深DOD区间下降明显.

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(责任编辑郑小虎)

Effectofinternalresistancedifferenceonperformanceoflithium-ionbattery

WANGShuangshuang,LIXinfeng,ZHANGYanjiang,ZANGQiang

(InstituteofEngineeringandResearch,HefeiGuoxuanHigh-techPowerEnergyCo.Ltd.,Hefei230011,China)

ThethreeLi-ionbatterieswhichhadthesamematerialsystembutdifferentACresistanceweretested,suchastheopencircuitvoltage(OCV),directcurrent(DC)impendenceandpowerperformanceatdifferentdepthofdischarge(DOD).TheresultsshowedthatthedifferenceofACresistancehadalittleinfluenceontheOCVwithdifferentDOD.TheDCimpendencewasgreaterwhichbatteryhadgreaterACresistance.ButtheDCimpendencewhichhadthesameACresistancechangedlittleattherangeof10%—80%DOD.InlinewiththetendencyofDCimpendence,thepowerperformancewhichhadsmallACresistancewasstrongerthanthebatterywithbigACresistance,butunderthedeepDODinterval,dischargepowerofLi-ionbatterywasdecreasedobviously.

lithiumionbattery;alternatingcurrentresistance;directcurrentimpendence;powerperformance

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.02.009

2015-10-11

国家863计划资助项目(2015AA034601)

王双双(1985-)，女，山东宁津人，合肥国轩高科动力能源有限公司工程师.

TM912

A

1000-2162(2016)02-0049-05