对比等温量热及绝热量热用于锂电池充放电产热测量

  • 发布时间:2023-01-11
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等温量热仪和绝热加速量热仪是研究锂电池充放电产热的两种主流仪器。本文利用仰仪科技BIC-400A电池等温量热仪以及BAC-420A电池绝热量热仪在不同温度和不同倍率条件下对电池充放电产热进行测试,总结了两种方法量热结果对比的一般性规律。

前言

锂离子电池在充放电过程中存在明显的热效应,包括电极反应热、极化热、焦耳热和副反应热等[1]。这些热量使电池内部温度上升,一旦温度过高将影响电池性能和寿命,甚至会导致电池发生热失控。因此,电池充放电产热数据是进行电池热管理设计的必要参数。目前,基于功率补偿等温量热原理的等温量热仪和基于绝热追踪原理的绝热加速量热仪是测量电池充放电产热的主要仪器。如图1所示,等温量热仪能够控制电池温度保持恒定,并利用电功率对电池产热功率进行等效补偿;绝热量热仪能够进行电池温度追踪,获得电池在充放电过程中的绝热温升曲线和比热容数据,并计算产热量。本文重点比较了两种方法在量热结果上的差别性。

图1 (a)等温量热仪和(b)绝热加速量热仪检测原理

实验部分

1. 样品准备

18650电池(NCM,2000mAh)*2

方形电池(LFP,50Ah)*2
6061标准铝块

2. 实验条件

绝热量热电池起始温度:30°C;
等温量热电池温度:30°C、50°C;
电池充放电方式:恒压恒流充电、恒流放电;
充放电倍率:0.33C、0.5C、1C;
比热容温升速率:0.2°C/min。

实验结果

1. 电池比热容实验

图2 电池比热容测量结果

利用差式功率补偿原理,绝热量热仪可测定电池比热容的数据,本文根据电池充放电过程的温度变化范围,测定该温区内的平均比热容,用于计算电池放热量,测试结果如图2所示。


2. 18650电池量热结果

图3 18650电池在(a,b)0.5C和(c,d)1C倍率下电池(a,c)充电和(b,d)放电产热功率测量结果对比


如图3所示,等温与绝热两种仪器测定的产热功率变化趋势基本一致,说明上述两种测试方法均能够反映充放电过程中电池内阻和熵变系数变化规律。另外,可以发现等温量热测定热流的滞后性略大,这与等温相对复杂的装样方式有关。30℃起始温度下充放电产热量的测量结果如表1所示,4种工步下等温量热值均高于绝热。0.5C和1C下电池的绝热温升分别为15°C和30°C左右,在该范围内,温度升高有利于降低电池极化内阻,减少电池产热。通过图3也可以看出,绝热法测定的功率曲线都介于30°C和50°C两个温度条件下测定的等温量热曲线之间。


表1 18650电池充放电产热量数据统计

3. 方形电池量热结果

图4  0.33C倍率下方形电池在(a)充电和(b)放电过程产热功率测量结果对比

表2 0.33C倍率下等温与绝热测定的产热量对比