電壓一致性對鋰離子電池串聯(lián)使用的影響

莫治波，茅寧，梅金輝，張琦，高聳

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

MO Zhi-bo,MAONing,MEIJin-hui,ZHANGQi,GAO Song

電壓一致性對鋰離子電池串聯(lián)使用的影響

莫治波，茅寧，梅金輝，張琦，高聳

（天津力神電池股份有限公司，天津 300384）

測試功率型18650單體電池在不同充電電壓下的循環(huán)壽命和不同放電電流的過放電循環(huán)壽命。定量造成電池包中的電池差異，模擬了在串聯(lián)使用中單節(jié)電池自放電導(dǎo)致電池組電壓不一致，從而在循環(huán)過程中單體電池發(fā)生過放電，導(dǎo)致電池組循環(huán)壽命的衰減。用三電極體系測量了真實電池在充放電時的正負(fù)極電位關(guān)系，分析了提高電池耐過放性能的方法。

鋰離子電池；一致性；過充；過放；串聯(lián)；三電極

鋰離子電池的一致性是使用者對電池的要求。在多串并領(lǐng)域，電池的不一致影響電池的使用性能，甚至?xí)硪恍┌踩[患。多串并使用中導(dǎo)致電池不一致的因素很多，有電池本身的原因，比如容量不一致、自放電率不一致、內(nèi)阻不一致、壽命不一致；也有外部原因，比如電池散熱環(huán)境不同、電池間連接內(nèi)阻不同，甚至檢測電路導(dǎo)致各路放電不均。本文主要討論電壓不一致對電池多串并使用的影響。電池電壓不一致是實際使用中常常遇到的問題，并且電壓也是電池管理系統(tǒng)最重要的監(jiān)控參數(shù)。在實際應(yīng)用中，導(dǎo)致電池電壓不一致的原因主要是容量不均和電池自放電，而電池的電壓不一致主要是影響電池的串聯(lián)使用。

1 實驗

本文測試所用電池為圓柱型功率18650電池。

電池的三電極測試，參比電極使用直徑為1mm的鎳絲，將鎳絲圓周表面包裹金屬鋰片，在玻璃面上研磨，使新鮮的鋰金屬緊緊包裹在鎳絲上，作為金屬鋰參比電極。將18650電池放電后，用鉗子去掉其電池蓋。然后將參比電極插入極組中心孔里，并在中心孔里注入電解液，放上預(yù)先打好孔的PP材質(zhì)的塑料蓋，用Parafilm膠帶進(jìn)行密封，最后在濕度小于1%的干燥間里進(jìn)行三電極體系測量。

1.1 單體電池不同充電電壓的循環(huán)壽命

如圖1所示，電池充電電壓超過4.25 V后，正極材料的熱穩(wěn)定性降低，電池的阻抗增加，電池循環(huán)壽命下降。

圖1 不同充電電壓循環(huán)壽命

1.2 單體電池過放電的循環(huán)壽命

由圖2可知，過放電到1 V，大電流放電或小電流放電時電池壽命都將明顯衰減，而在1放電下電池循環(huán)壽命低于10放電，小電流放電時電池過放更嚴(yán)重。過放電時，電池內(nèi)阻增大，同時產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)部氣壓增大，CID工作，電池失效。

圖2 1與10過放電循環(huán)壽命

1.3 電壓一致對電池包循環(huán)壽命的影響

圖3 5S1P電池組循環(huán)壽命

圖4 5S1P電池組放電中各節(jié)電池電壓

圖5 5S1P電池組充電中各節(jié)電池電壓

1.4 真實電池三電極體系充放電

18650電池三電極測試曲線如圖6所示。

圖6 真實電池三電極體系放電曲線

放電過程中，Li將從負(fù)極回到正極，放電末期，由于負(fù)極上Li的減少，負(fù)極電位上升，負(fù)極SEI膜組分氧化，甚至導(dǎo)致Cu箔的溶解。對于某一副反應(yīng)，參考巴特勒-伏爾摩公式[1]。

電池受損的程度決定于幅反應(yīng)的量，通過以上公式可知提高電池耐過放能力有以下途徑：

（1）降低放電末期負(fù)極的平衡電位?？梢酝ㄟ^改變正負(fù)極的電位關(guān)系，減緩放電末期負(fù)極電位的升高，放電末期負(fù)極剩余一部分的鋰容量也能降低負(fù)極的電位。如果電池放電效率大于100%，從負(fù)極電位的角度看，這不利于電池的耐過放。

（2）減少電池處于過放電期間的時間。利用不同體系材料的放電特性，讓電池在放電末期的曲線更陡，這樣處于過放電電位所跨度的更少，那么在一定的電流下，電池處在過放電的時間就減少了。

2 結(jié)論

本文測量了18650鋰離子電池在不同充電電壓以及不同放電電流下放電到不同電壓的循環(huán)性能，并人為造成初始差異，模擬電池自放電導(dǎo)致串聯(lián)電池包電壓不一致，在沒有單節(jié)過充過放的保護(hù)下，電池循環(huán)壽命因為單節(jié)電池的過放電而導(dǎo)致電池包失效。真實電池的三電極體系測試表明放電末期負(fù)極電位的變化關(guān)系，并從理論上分析了提高電池耐過放性能的方法和手段。

[1]郭鶴桐，姚素薇.基礎(chǔ)電化學(xué)及其測量[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Influence of voltage balance on lithium battery seriesapplication

The cycle life of power 18650 lithium cell at different charge voltages and over-discharge cycle life at different discharge currents were tested.Fixed quality leading the cell different,voltage imbalance in series battery lead by cellself-discharge was simulated,so during cycle life testing,one cellwas over-discharged,making cycle life ofbattery decade.Cathode and anode voltage correlation curve of the battery during charge and discharge was tested through three electrode system,and the method of improving the cell enduring over-discharge performance was discussed.

lithium battery;balance;over-charge;over-discharge;series;three electrode

TM 912.9

A

1002-087 X(2014)05-0826-02

MO Zhi-bo,MAONing,MEIJin-hui,ZHANGQi,GAO Song

2013-10-18

莫治波(1981—)，男，四川省人，碩士，技術(shù)經(jīng)理，主要研究方向為鋰離子電池。