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GOGO体育锂电池放电曲线片面剖析

发布时间:2021-12-05 05:54点击数: 编辑:admin

  GOGO体育app测定电池的放电曲线,是研讨电池机能的根本办法之一,按照放电曲线,能够判定电池事情机能能否不变,以及电池在不变事情时所许可的最大电流。本文具体片面地引见锂离子电池放电曲线的根底常识。因为作者程度无限,文中毛病的地方,欢送攻讦斧正。本文较长,10000多字,次要内容包罗:

  锂离子电池放电时,它的事情电压老是跟着工夫的持续而不竭发作变革,用电池的事情电压做纵坐标,放电工夫,或容量,或荷电形态(SOC),或放电深度(DOD)做横坐标,绘制而成的曲线称为放电曲线。要熟悉电池的放电特征曲线,起首需求从道理上了解电池的电压。

  电池的电压电极反响要构成电池必需满意下列前提:化学反响中落空电子的历程(即氧化历程)以及获患上电子的历程(即复原反响历程)必需分开在两个差别地区中停止,这区分于普通的氧化复原反响;两电极的活性物资停止氧化复原反响时所需的电子必需由外电路通报,这区分于金属腐化历程的微电池反响。电池的电压是正极与负极之间的电势差,详细的枢纽参数包罗开路电压、事情电压、充放电停止电压等。

  中,显现出电的效应,即金属的外表与溶液间发生的电位差,这类电位差称为金属在此溶液中的电位或电极电位。简朴说电极电位是暗示某种离子或原子患上到电子而被复原的趋向。因而,对某种正极或负极质料来讲,当处于有锂盐的电解质中时,其电极电位暗示成:

  电池的开路电压电池电动势是按照电池反响,使用热力学办法停止计较的实际值,即电池在断路时处于可逆均衡形态下,正负极之间的均衡电极电势之差,是电池能够给出电压的极大值。而实践上,正负极在电解液中并没必要然处于热力学均衡形态,即电池的正负极在电解质溶液中所成立的电极电势凡是并不是均衡电极电势,因而电池的开路电压普通均小于它的电动势。关于电极反响:

  思索反响物组分的非尺度形态以及活性组分的活度(或浓度)随工夫的变革,接纳能斯特方程改正电池实践开路电压:

  此中,R是气体常数,T是反响温度,a是组分活度或浓度。电池的开路电压取决于电池正负极质料的性子、电解质以及温度前提等,而与电池的多少构造以及尺寸巨细无关。

  锂离子电极质料制备成极片,与金属锂片组装成钮扣半电池,能够测患上电极质料在差别的SOC形态下的开路电压,开路电压曲线是电极质料荷电形态的反响,图1是磷酸铁锂电极质料的开路电压曲线,从开路电压曲线能够断定电极质料的对应的脱嵌锂形态。而电池的开路电压曲线是正负极质料信息的叠加形态。

  电池储存过程当中开路电压会降落,但幅度不会很大,假如开路电压降落速率过快或幅渡过大属非常征象。 南北极活性物资外表形态变革及电池自放电是开路电压在储存中降落的次要缘故原由,详细包罗正负极质料外表膜层的变革;电极热力学不不变性酿成的电位变革;金属异物杂质的消融与析出;正负极之距离膜酿成的微短路等。锂离子电池在老化时, K值(电压降)的变革恰是电极质料外表SEI膜的构成以及不变历程,假如电压降太大,阐明外部存在微短路,断定电池为不迭格品。

  电池极化电流经由过程电极时,电极偏离均衡电极电势的征象称为极化,极化发生过电势。按照极化发生的缘故原由能够将极化分为欧姆极化、浓差极化以及电化学极化,图2是电池典范的放电曲线及各类极化对电压的影响。

  (3)浓差极化:因为溶液中离子分散历程的缓慢性,形成在必然电流下电极外表与溶液本体浓度差,发生极化。这类极化跟着电流降落,在宏观的秒级(多少秒到多少十秒)上低落或消逝。

  锂离子电池本质上是一种锂离子浓差电池,锂离子电池的充放电历程为锂离子在正负极的嵌入、脱出的历程。影响锂离子电池极化的身分包罗:

  (3)导电剂:导电剂的含量是影响高倍率放机电能的主要身分。假如正极配方中的导电剂含量不敷,大电放逐电时电子不克不及实时地转移,极化内阻疾速增大,使电池的电压很快低落到放电停止电压。

  事情电压又称端电压,是指电池在事情形态下即电路中有电流流过期电池正负极之间的电势差。在电池放电事情形态下,当电流流过电池外部时,需克制电池的内阻所形成阻力,会形成欧姆压降以及电极极化,故事情电压老是低于开路电压,充电时则与之相反,端电压老是高于开路电压。即极化的成果使电池放电时端电抬高于电池的电动势,电池充电时,电池的端电压高于电池的电动势。

  因为极化征象的存在,会招致电池在充放电过程当中瞬时电压与实践电压会发生必然的偏向。充电时,瞬时电压略高于实践电压,充电完毕后极化消逝,电压回落;放电时,瞬时电压略低于实践电压,放电完毕后极化消逝,电压上升。

  此中,E+、E—别离暗示正、负极的电势,E+0、E—0别离暗示正、负极的均衡电极电势,VR暗示欧姆极化电压,η+、η—别离暗示正、负极的过电势。

  根本理解电池的电压以后,咱们开端剖析锂离子电池的放电曲线。放电曲线根本反应电极的形态,是正负两个电极形态变革的叠加。图5是常见贸易锂离子电池的典范恒放逐电测试的电流以及电压曲线。充放电测试时,装备对电池施加必然的载荷,按照设定的数据记载前提记载电压随工夫的演化历程以及电流随工夫的演化历程。

  测试时,收罗数据的方法有两种:(1)按照设定的工夫距离Δt收罗电流,电压以及工夫等数据;(2)按照设定电压变革差ΔV收罗电流,电压以及工夫数据。充放电装备的精度次要包罗电流精度、电压精度、工夫精度。表2是某款充放机电的装备参数,此中,% FS 暗示全量程的百分数,

  充放电装备普通接纳数控恒流源替代负载电阻作负载,使电池的输出电压与回路中串连电阻或寄生电阻无关,而只与电池等效的幻想电压源的电压E 以及内阻r 以及回路电流 I 相干。假如利用电阻做负载,设电池等效的幻想电压源的电压为E,内阻为 r,负载电阻为R,用电压表丈量负载电阻两头的电压,如图6上图所示。可是,实践状况下,电路中存在引线电阻以及夹具打仗电阻(同一为寄生电阻)图 6上图的等效电路图为图6下图所示。实践状况下不成制止地引入了寄生电阻,从而使总的负载电阻变大,可是丈量的电压是负载电阻R 两头的电压,因而引入了偏差。图6 电阻放电法道理框图以及实践等效电路图(滥觞于参考文献)

  由以上公式可知A、B两点电压为恒定值,即电池的输出电压与回路中串连电阻的巨细无关,固然也就与寄生电阻无关。别的,四端子丈量方法能够完成对电池输出电压的较精确丈量。

  恒流源是一种能向负载供给恒定电流的电源安装,在外界电网电源发生颠簸以及阻抗特征发作变革时它仍能使输出电留连结恒定。

  充放电测试装备普通利用半导体器件作为通流元件,经由过程调解半导体器件的掌握旌旗灯号,能够模仿出恒流,恒压,恒阻等多种差别特征的负载。锂离子电池放电测试形式次要包罗恒放逐电、恒阻放电、恒功率放电等。在各放电形式下还能够分出持续放电以及距离放电,此中按照工夫的是非,距离放电又能够分为间歇放电以及脉冲放电。放电测试时,电池按照设定的形式停止放电,到达设定的前提后截至放电,放电停止前提包罗设定电压停止、设定工夫停止、设定容量停止,设定负电压梯度停止等。电池放电电压的变革与放电轨制有关,即放电曲线的变革还受放电轨制的影响,包罗:放电电流,放电温度,放电停止电压;间歇仍是持续放电。放电电流越大,事情电压降落越快;随放电温度的增长,放电曲线变革较陡峭。

  恒放逐电时,设定电流值,而后经由过程调理数控恒流源来到达这一电流值,从而完成电池的恒放逐电,同时收罗电池的端电压的变革,用来检测电池的放电特征。恒放逐电是放电电流稳定,可是电池电压连续降落,以是功率连续降落的放电。图5就是锂离子电池恒放逐电的电压以及电流曲线。因为用恒电放逐电,工夫坐标轴很简单转换为容量(电流与工夫的乘积)坐标轴。图8是恒放逐电时电压-容量曲线。恒放逐电是锂离子电池测试中最常利用的放电方法。图8 差别倍率下的恒流恒压充电、恒放逐电曲线(滥觞于参考文献)

  恒功率放电时,起首设定恒功率的功率值P,并收罗电池的输出电压U。在放电过程当中,请求P恒定稳定,可是U是不竭变革的,以是需求按照公式I = P / U不竭地调理数控恒流源的电流I以到达恒功率放电的目标。连结放电功率稳定,因放电过程当中电池的电压连续降落,以是恒功率放电中电流是连续回升的。因为用恒功率放电,工夫坐标轴很简单转换为能量(功率与工夫的乘积)坐标轴。图9是锂离子电池典范的恒功率充、放电曲线 差别倍率下的恒功率充、放电曲线(滥觞于参考文献)恒放逐电以及恒功率放电比照[3]

  图10 差别倍率下的(a)充放电容量图;(b)充放电曲线是磷酸铁锂电池两种形式下差别倍率充放电测试成果。按照图10(a)的容量曲线,恒流形式下跟着充放电电流的增大,电池实践充放电容量均逐步变小但变革幅度相对于较小。恒功率形式下电池的实践充放电容量也随功率的增长而逐步减小,且倍率越大,容量衰减越快。1 h 率放电容量较恒流形式为低。同时,当充放电倍率低于5 h 率时,恒功率前提下电池容量较高,而高于5 h 率时则恒流前提下电池容量较高。

  恒阻放电时,起首设定恒定的电阻值R,收罗电池的输出电压U,在放电过程当中,请求R恒定稳定,可是U是不竭变革的,以是需求按照公式I=U/R不竭地调理数控恒流源的电流I值以到达恒电阻放电的目标。电池的电压在放电历程是不断鄙人降的,电阻稳定,以是放电电流I也是一个降落的历程。

  图11 是典范脉冲充放电测试的电流曲线以及电压曲线 典范脉冲充放电测试的电流曲线以及电压曲线放电曲线包罗的信息

  放电曲线是指放电过程当中,电池的电压、电流、容量等随工夫的变革的曲线。充放电曲线中所包罗的信息十分丰硕,详细包罗容量,能量,事情电压及电压平台,电极电势与荷电形态的干系等。放电测试时记载的次要数据就是电流以及电压的工夫演化,从这些根底数据能够获患上许多参数,下列具体引见放电曲线可以获患上的参数。(1

  是电池容量一半时对应的电压值,关于平台比力较着的质料,如磷酸铁锂以及钛酸锂等,中值电压就是平台电压。

  均匀电压是电压-容量曲线的有用面积(即电池放电能量)除了以容量,计较公式为Ü = ∫U(t)*I(t)dt / ∫I(t)dt。

  是是指电池放电时许可的最低电压,假如电抬高于放电停止电压后持续放电,电池两头的电压会疾速降落,构成过分放电,过放电能够形成电极活性物资毁伤,落空反响才能,使电池寿命收缩。

  额定容量:指电池在设想的放电前提下,电池包管给出的最低电量。放电测试中,容量经由过程电流对工夫积分计较,即C = ∫I(t)dt,恒放逐电时电流恒定稳定,C = ∫I(t)dt = It;恒电阻R放电时,C = ∫I(t)dt = (1/R)*∫U(t)dt ≈ (1/R)*Üt(Ü为放电均匀电压,t为放电工夫)。

  :为了对差别的电池停止比力,引入比容量观点。比容量是指单元质量或单元体积电极活性物资所给出的容量,称为质量比容量或体积比容量。凡是计较办法为:比容量=电池初次放电容量 /(活性物资量*活性物资操纵率)

  b.电池的放电温度:温度低落,输出容量削减;c.电池的放电停止电压:是由电极质料以及电极反响自己的限制来设定的放电时通常是3 .0V或2 .75V。

  不偕行业按照利用工况,拥有差别的测试尺度。关于3C产物用的锂离子电池,按照国标《GB/T18287-2000蜂窝德律风用锂离子电池总标准》,电池的额定容量测试办法为:a)充电:0.2C5A充电;b)放电:0.2C5A放电;c)停止五个轮回,此中有一次到达即断定为及格。

  按照国标《GB/T 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池机电能请求及实验办法》,电池的额定容量是指室温下电池以1I1(A)电放逐电,到达停止电压时所放出的容量(Ah),此中I1为1小时率放电电流,其数值即是C1 (A)。测试办法为:

  a)室温下,以1I1(A)电流恒流充电至企业划定的充电停止电压时转恒压充电,至充电停止电流降至0.05I1(A)时截至充电,充电后弃捐1h。

  d) 反复步调a)-c)5次,当持续3次实验成果的极差小于额定容量的3%,可提早完毕实验,取最初3次实验成果均匀值。(

  SOC(State of Charge )为荷电形态,暗示在必然的放电倍率下,电池利用一段工夫或持久弃捐后盈余容量与其完整充电形态的容量的比值。“开路电压 + 安时积分”法操纵开路电压法预算出电池初始形态荷电容量SOC0,而后操纵安时积分法求患上电池运转耗损的电量,耗损电量为放电电流与放电工夫的乘积,则盈余电量即是初始电量与耗损电量的差值。开路电压与安时积分分离预算SOC 数学抒发式为:

  此中,CN 为额定容量;η为充放电服从;T为电池利用温度;I 为电池电流;t为电池放电工夫。

  DOD(Depth of Discharge )为放电深度,暗示放电水平的一种量度,为放电容量与总放电容量的百分比。放电深度的上下以及电池的寿命有很大的干系:放电深度越深,其寿命就越短。二者干系为SOC = 100%- DOD。

  4)能量以及比能量电池在必然前提下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量,单元普通用wh暗示。放电曲线中,能量的计较式为:W = ∫U(t)*I(t)dt。恒放逐电时,W = I*∫U(t)dt = It*Ü(Ü为放电均匀电压,t为放电工夫)。

  b.实践能量电池放电时实践输出的能量称为实践能量,电动汽车行业划定(《GB/T 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池机电能请求及实验办法》),室温下蓄电池以1I1(A)电放逐电,到达停止电压时所放出的能量(Wh),称额定能量。

  比能量单元质量以及单元体积的电池所给出的能量,称质量比能量或体积比能量,也称能量密度。单元为wh/kg或wh/L。

  放电曲线的根本情势放电曲线最根本的情势就是电压-工夫以及电流工夫曲线,经由过程对工夫轴停止变更计较,常见的放电曲线另有电压-容量(比容量)曲线、电压-能量(比能量)曲线、电压-SOC曲线)电压-工夫以及电流工夫曲线 电压-工夫以及电流-工夫曲线)电压-容量曲线 电压-容量曲线)电压-能量曲线 电压-能量曲线

  充放电曲线中电压对工夫(容量)的变革含有电极历程的信息,但这类变革普通很小,不简单表示进去,对曲线微分能够将变革放大,便于察看以及处置,这对充放电曲线停止微分处置的目标。处置的办法包罗:dQ/dV以及dV/dQ,经常使用的办法是对容量大概比容量做微分处置。相对参比电极的充放电曲线实在地反应了事情电极的电极历程(三电极系统);相对金属锂电极的充放电曲线近似地反应了事情电极的电极历程(扣式电池);而电池的充放电曲线表示的是正负极电极历程的叠加,因而,电池充放电曲线的微分曲线的峰不克不及间接肯定是反应哪一个电极的电极历程。因而,能够经由过程下列两种办法处置:

  将电池组装成三电极系统,别离测出正、负极的充放电曲线是三电极电池正负极以及全电池的充放电电压曲线,能够零丁对正、负极充放电曲线做微分阐发;

  对电压-容量曲线做微分对原始数占有必然请求,不然没法做出峰值较着的微分曲线,普通请求等电压差的电压、容量数据列。因而,在做充放电测试时,能够设定电压距离ΔV=10~50mV来收罗数据。大概对原始数据停止挑选,图17

  别的,操纵Excel也能够完成数据的挑选,详细挑选办法以下(本部分内容由网友霞光万道收拾整顿):

  2)将A列的第一个电压数据复制到D2列并选中,点击编纂栏中的“添补”,呈现一对话框,挑选“列”,填写“步长值”以及“最大值”后,点击肯定,如图18所示天生D列电压数据。

  3)点击E2,输入公式=vlookup(D2,A:B,2,TRUE),按回车,下拉菜单或双击,数据挑选实现。图18 Excel完成数据的挑选

  挑选实现的数据导入origin软件中。而后,容量选为y轴,电压选为x轴,而后再施行analysis—mathematics—differentiate操纵,会发明数据表格中多出一列数据,这就是dQ/dV值,再以它为y轴,电压为x轴作图,便可获患上dQ/dV曲线。

  图19是多少种负极质料无定形炭、硅、二氧化硅、一氧化硅质料前两次充放电轮回的容量微分曲线(a)是无定形炭质料前两次充放电轮回的容量微分曲线。由图可知,无定形炭质料在前两次放电历程次要嵌锂峰的峰值电压均小于0.1 V,与之对应的是在充电曲线 V的脱锂峰。该无定形碳质料在电势0.1 V的区间内险些没有察看到较着的复原峰。图19(b)是无定形硅负极质料在前两次充放电轮回中的容量微分曲线。由图可知,无定形硅在初次放电过程当中存在一个电势为0.1~0.2 V的激烈的嵌锂峰,与之对应的是在充电过程当中电势为0.42 V的激烈的脱锂峰;从第二次充放电轮回开端,硅负极质料显现两个差别的复原氧化峰对,其复原电势别离0.06以及0.21 V,对应的是锂离子同硅合金化反响构成LixSi

  图19(c)是无定形二氧化硅负极质料第二次充放电轮回的容量微分曲线。由图可知,无定形二氧化硅质料的第二次放电历程的存在两个差别的复原峰,别离位于0.17以及0.06V,与之对应的是在充电历程位于0.32V以及0.46V的氧化峰。这两个复原-氧化峰对别离对应于锂离子同SiO2构造感化构成Li2Si2O5以及单晶硅,以及锂离子同单晶硅感化构成LixSi合金的过称。图19(d)是无定形一氧化硅质料第二次充放电轮回的容量微分曲线。由图可知,无定形一氧化硅质料在第二次放电过程当中存在两个电势别离为0.1以及0.2V的复原峰,与之对应的是电势为0.27以及0.46 V的两个氧化峰。一氧化硅负极质料的构造包罗[SiSi4]微区以及SiO2微区,这两对氧化复原峰对应的是这两种微区构造同锂离子的感化。

  图19 多少种负极质料(a)无定形炭、(b)硅、(c)二氧化硅、(c)一氧化硅质料前两次充放电轮回的容量微分曲线

  本文在6月初开端列出大纲,次要在天天黄昏(5:00-7:00)收拾整顿撰写,先搜集了大批材料,包罗文献、收集资本,收拾整顿撰写用时一个月。在这个过程当中,本人也是一个进修的历程。锂电池是一个别系性的工程,即便一个放电曲线,内里就包罗了太多的常识。原来列出的大纲,还包罗放电测试(倍率放电、温度特征、工况测试等)、充放电曲线常见非常状况。可是,发明越写内容越多,其实很难在一篇文章中完好引见。

  [6] 刘相. 高容量C/Si-O-C负极质料的制备及其嵌脱锂离子机理的研讨[D]. 国防迷信手艺大学, 2012.