基于实验数据的21700锂电池对比分析

徐 晶 ，徐 鑫 ，相飞飞 ，施苏航

（扬州大学，江苏 扬州 215000）

0 引言

21700锂电池由于具有能量密度高、成本低的优势，一经推出就在电动汽车行业引发替代18650锂电池的狂潮。研究发现，同种材料的21700锂电池的能量密度要比18650锂电池要高出35%[1-2]。针对18650锂电池的研究已经十分详实，但关于21700锂电池的文献却寥寥无几。通过对市面上不同型号的21700锂电池的评测，发现不同型号的21700锂电池之间的性能也有较大差距[3-5]。因此，在21700锂电池的选型当中也需要格外注意。然而，之前研究的对象都是不同规格之间的锂电池，如Jason B. Quinn等对比分析了18650与21700电池在能量、容量、能量密度、内阻和热特性、成本上的差异[6]。Thomas Waldmann等在电化学、热学和几何性质方面，将经典的18650锂离子电池与新的21700锂电池进行了直接比较[7]。因为18650型与21700型电池在尺寸、工艺等方面相差很大，所以鲜少有同规格锂电池之间的直接对比[8]。

关于18650锂电池的热力学特性的实验与仿真研究已经有很多，主要是针对同一型号的电池在不同工况下的比较[9-10]，所以通过直接对比与深入了解不同型号的锂电池之间的差异性和相似性是非常有必要的。基于此，本研究选用相同规格不同型号的21700锂电池在多个尺度进行对比分析，通过热电偶传感器采集电池在不同工况下放电的表面温度，来获取放电时21700锂电池的热力学性能。此外，还通过电压和容量这两方面进行补充，以此对锂电池性质进行深入研究。

1 实验

1.1 实验对象

本研究选用同一公司生产的两款不同规格的电池，确保生产技术及管理的一致性。这两款电池的基本参数如表1所示。

表1 锂电池基本参数

1.2 实验仪器

本次研究对象为21700型锂电池，实验台架包括21700型锂电池若干、1个锂电池充电器、1个330-00A恒温箱、3根K型热电偶、1个RS20K-C热电偶温度变送器、1个TEC-80K型大功率电子负载、1个自制电池测试架、1个电池内阻测试仪、2个USB转485数据采集器以及1台笔记本电脑。330-00A恒温箱用于模拟恒温环境，RS20K-C热电偶温度变送器用于采集电池的表面温度，USB转485数据采集器用于接收或发送信号，TEC-80K型大功率电子负载用于对锂电池以不同放电倍率进行恒流放电，同时还能采集放电的电压和电流，电池测试架用于固定电池，笔记本电脑用于采集处理数据，实验仪器具体的性能参数如表2所示。

表2 实验仪器性能参数表

1.3 实验方法

为了保证实验对象的一致性，首先要对电池进行初选，尽可能地选择出电阻一致的电池进行实验，本研究准备了A型和B型电池各50个，对这些电池进行内阻测试，内阻测试原理图如图1所示。

图1 内阻测试原理图

对电池内阻测试完成后，再对电池进行容量测试，从各型电池中分别选择5个容量和电阻均较一致的电池进行热力学性能实验分析，原理图如图2所示。具体实验流程如下：将锂电池充电至截止电压4.2 V静置1 h后，再将电池放在恒温环境下静置1 h，当锂电池的测试点的温度与设定温度值相差±1 ℃时，对锂电池进行放电倍率为0.5C~2C以及环境温度为25 ℃~40 ℃的热力学实验。

图2 热力学性能实验原理图

2 结果与讨论

本研究对50个A型和B型锂电池的内阻实际测量值进行了对比，结果如图3所示。由图3可知，B型电池的内阻均低于A型电池的内阻，A型和B型电池的平均电阻分别为15.3 mΩ和6.6 mΩ，平均内阻差值为8.7 mΩ，A型和B型电池内阻的最大差值分别为1.9 mΩ和2.9 mΩ。

图3 A型和B型锂电池内阻

40T和50G锂电池不同环境温度下0.5C放电倍率压降图如图4所示。在放电初期DOD=0~0.1区间内，电压下降速率较快，这是由于放电初始电池端电压是从浮充电压转化为开路电压。在放电中期DOD=0.1~0.8区间内，电压下速率较为平滑稳定。在放电后期DOD=0.8~1区间内，电压急速下降至截止电压。从图4中可以看出，环境温度越高，电压值也就越大，这是因为在合理的温度范围内，随着温度的升高，电解液的传输速度更快，导致锂离子迁移速度加快，从而提高了输出功率。从整体来看，不同环境温度下以0.5C放电倍率进行放电时，40T锂电池的电压值均低于50G锂电池，40 ℃时40T电池的放电电压与25 ℃时50G电池的放电电压相接近。因此，相同环境温度以及放电倍率下，50G锂电池的输出功率更高。

图4 40T和50G锂电池不同环境温度下0.5C放电倍率压降图

25 ℃的恒温环境下，以0.5C~2C的放电倍率进行放电时，40T锂电池与50G锂电池的容量图如图5所示。由图5可知，相同环境温度下随着放电倍率的增大，电池的放电容量逐渐降低，50G锂电池在1C、1.5C、2C放电倍率下的容量衰减幅度均大于40T锂电池。因此，40T锂电池在不同放电倍率下的容量稳定性更好。

图5 相同环境温度不同放电倍率的容量图

40T和50G锂电池在25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃环境温度下以0.5C放电倍率进行恒流放电时的容量图如图6所示。由图6可知，在相同放电倍率下进行恒流放电时，随着环境温度的升高，40T和50G锂电池的放电容量都随之升高。在30 ℃、35 ℃、40 ℃环境温度工况下，50G锂电池的容量增长幅度均大于40T锂电池。因此，50G锂电池在较高环境温度下有更大的容量。

图6 相同放电倍率不同环境温度的容量图

40T和50G锂电池在以1C放电倍率进行恒流放电时，在不同环境温度下的电池表面温度对比如图7所示。从整体来看，放电时锂电表面温度的上升速率呈先上升后下降再上升的趋势，这是由于放电初期由于电池本身的内阻，生热率快速上升，中期由于放电稳定，因此温升速率降低，放电后期内阻受温度影响，温升速率又呈上升趋势。由图7可知，在25 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃恒温环境下，40T锂电池整体温升曲线均高于50G锂电池。因此，在不同环境温度下进行恒流放电时，50G锂电池温度均一性更好。

图7 40T和50G锂电池相同放电倍率不同环境温度的温升曲线

40T和50G锂电池在25 ℃恒温环境下，以不同放电倍率进行放电的电池表面实际测量温度的对比如图8所示。由图8可知，在同一环境温度下，40T锂电池和50G锂电池的放电电流越大，电池表面温度的上升速率也越快；放电电流越小，电池表面温度上升速率越慢。40T锂电池在25 ℃恒温环境下以0.5C、1.0C、1.5C、2.0C的放电倍率进行放电的实际测量温度的最高温度分别为35.3 ℃、48.8 ℃、59.9 ℃、66.2℃。50G锂电池在25 ℃恒温环境下以0.5C、1.0C、1.5C、2.0C的放电倍率进行放电的实际测量温度的最高温度分别为32.3 ℃、39.7 ℃、49.4 ℃、58.1 ℃。50G锂电池的最高温度均比40T锂电池的低，且在1.5C放电倍率时，最高温度差达最大值10.5 ℃。两款电池温升趋势相近，但在相同环境温度不同放电倍率工况下，50G锂电池的温升均低于40T锂电池。

图8 40T和50G锂电池相同环境温度不同放电倍率下的温升曲线

3 结果与结论

本研究通过实验对比两款相同规格不同型号的21700锂电池的内阻，研究了两款电池在环境温度、放电倍率这两关键因素下的电压、容量、放电温度。主要结论如下：

1）40T锂电池内阻小于50G锂电池内阻，平均差值为8.7 mΩ。

2）在相同环境温度以及放电倍率下，50G锂电池放电电压均高于40T锂电池，因此50G锂电池的输出功率更高。

3）在相同环境温度下随着放电倍率的增大，50G锂电池的容量衰减幅度均大于40T锂电池，40T锂电池在不同放电倍率下的容量稳定性更好；在相同放电倍率下随着环境温度的升高，50G锂电池的容量增长幅度均大于40T锂电池，50G锂电池在较高环境温度下有更大的容量。

4）在相同放电倍率不同环境温度下，50G锂电池温升曲线均低于40T锂电池；在相同环境温度不同放电倍率工况下，50G锂电池的温升均低于40T锂电池。因此，50G锂电池有更好的温度稳定性。