鋰離子電池最大充電電流與溫度、SoC等因素的關(guān)系

2017-09-21 11:17:13 第一電動網(wǎng) 　點擊量：評論 (0)

隨著各國相繼推出燃油車禁售時間表，近日工業(yè)和信息化副部長辛國斌在2017中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達）國際論壇上表示全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在重構(gòu)，許多國家紛紛調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，在新能源、智能互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加快布局。目前我國

隨著各國相繼推出燃油車禁售時間表，近日工業(yè)和信息化副部長辛國斌在2017中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展（泰達）國際論壇上表示“全球產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在重構(gòu)，許多國家紛紛調(diào)整發(fā)展戰(zhàn)略，在新能源、智能互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)加快布局。目前我國工信部也啟動了相關(guān)研究，制定停止生產(chǎn)銷售傳統(tǒng)能源汽車時間表。”

相比于傳統(tǒng)的燃油車，新能源汽車不產(chǎn)生任何尾氣排放，在環(huán)保上具有天然優(yōu)勢，但是新能源汽車在使用的便捷性上仍然有待提高。首先是充電樁的數(shù)量不足，導致充電困難。其次充電時間較長，導致電動汽車不適合長途旅行。前者可以通過基礎(chǔ)設(shè)施等發(fā)展得到解決，后者則需要鋰離子電池技術(shù)的進步才能克服。

我們知道相比于快速放電性能，鋰離子電池在快速充電方面還有很大的差距，這其中的主要原因是在Li+在電解液中是以溶劑化的狀態(tài)存在的，在擴散通過SEI膜并嵌入到石墨的內(nèi)部時，Li+需要首先進行去溶劑化過程，而這一過程是需要消耗能量的，這就在SEI／電解液界面處形成了一道無形的勢壘，阻礙Li+的快速擴散和嵌入道石墨負極內(nèi)部。而放電過程則正好相反，Li+擴散進入到電解液中，發(fā)生溶劑化，并不需要消耗能量，因此擴散鋰離子電池的放電速度要遠遠高于充電速度【1】。

為了實現(xiàn)電動汽車快速充電而不對鋰離子電池的電性能造成損害，就需要對動力電池可接受的最大充電電流進行研究。過大的電流快速充電常見的后果是金屬鋰在負極析出，特別是在低溫下，石墨負極的動力學條件變差，更容易導致金屬鋰在石墨負極的表面析出【2】。

鋰離子電池正負極材料充電過程中一般都會有一定的體積膨脹，放電的過程，則會發(fā)生體積收縮，但是當負極析出金屬鋰時，特別是當部分的金屬鋰為不可逆析出時，則鋰離子電池的體積也會發(fā)生不可逆的膨脹，因此可以通過測量電池厚度變化對負極金屬鋰析出的行為進行判斷。德國戴姆勒公司的研發(fā)部門近日通過測量鋰離子電池在充電過程中的厚度變化，研究了離子電池最大充電電流與充電量、SoC和環(huán)境溫度之間的關(guān)系。

關(guān)于鋰離子電池厚度的研究，采用的測試方法的精度一般在1um左右，而在戴姆勒公司的研究中，F(xiàn).Grimsmann等則使用了精度高于10nm的測試工具對充電過程中鋰離子電池厚度變化進行了研究。借助于如此之高的精度，研究者們可以對極小的充電量下鋰離子電池的厚度變化進行測量，這一點在電動汽車的制動過程中的能量回收來說具有很大的意義。

實驗中采用的電池為能量型的20Ah方形NMC/石墨鋰離子電池，實驗在控溫箱中進行，實驗溫度分別控制在0，10和25℃，這都是電動汽車常見的使用溫度，實驗的電池的SoC分別為12.5%、50%和75%，基本上覆蓋了動力電池的使用范圍。下圖為SoC為12.5%，溫度10℃，充電量為1.25%時電池在不同的充放電倍率下，電池厚度變化的信息。從圖上可以看到，在小電流時，在鋰離子電池完成放電時，電池的厚度還能夠回到初始值，但是當充電電流達到4C以上時，電池的厚度就無法恢復到初始厚度，而這部分增加的厚度就是因為金屬鋰在負極表面析出造成的，并且電流越大，析出的金屬鋰越多，鋰離子電池厚度增加的也就越多。所以此時，保證電池不析出金屬鋰的電流就在3C-4C之間。

下圖為SoC為12.5%的電池，不同的充電量下（1.25%、2.5%、5%和87.5%），最大電流與環(huán)境溫度的關(guān)系，從圖上可以看到，充電量越多，則最大充電電流越小，溫度越低，充電電流越小。同時我們注意到，雖然四條曲線雖然電流差異很大，但是幾條曲線的斜率基本上是一致的。

下圖為SoC為12.5%的電池，在不同的溫度下，最大充電電流與充電量之間的關(guān)系，從圖上可以注意到，充電量越小，則最大充電電流越大，溫度越高，最大充電電流越大。

下圖為SoC為12.5%的電池，在溫度為10℃的條件下，最大充電電流與充電電量之間的關(guān)系，可以看到，此時充電電量與最大充電電流之間幾乎是呈現(xiàn)線性相關(guān)的關(guān)系的，關(guān)系式如下所示，其中a=4.3。這意味著小充電電量，可以采用更大的充電電流，例如當充電電量為0.1%時，對于SoC為12.5%，溫度為10℃的電池，最大充電電流可達13.7C。

下圖為25℃，不同的充電電量下（1.25%、2.5%和5%），最大充電電流與電池SoC之間的關(guān)系，從圖上可以看到，隨著電池SoC狀態(tài)的增加，鋰離子電池的最大充電電流也在降低。

從上述分析中可以看到，電池的SoC狀態(tài)，環(huán)境溫度、充電電量等都對鋰離子電池的最大充電電流有著較大的影響，環(huán)境溫度越高、充電量越小、電池的SoC狀態(tài)越低，則可以接受的充電電流越大，反之則越小。因此在鋰離子電池充電控制過程中需要對這些參數(shù)進行精確測量，從而對最大充電電流進行控制，避免電流過大對鋰離子電池造成不可逆的傷害。