长期浮充对方型钛酸锂电池性能的影响分析
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摘 要：轨道交通选用蓄电池作为备用电源，要求蓄电池具备重量轻，安全性高，工作温度范围广，寿命长等特点。方型钛酸锂电池因其安全性高，寿命长，功率特性及低温性能好，越来越受到动车组辅助电池系统的青睐。本文以方型钛酸锂电池为研究对象，评估了长期浮充对于方型钛酸锂电池性能的影响。测试发现，常温浮充60d及高温浮充7d、14d后电池无产气，容量无衰减，电池DCIR有所上升，对电池大倍率充电性能有所影响，倍率放电及循环性能均无明显影响。
关键词：浮充 方型 钛酸锂电池
中图分类号：TM91 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）10（b）-0078-02
随着动车组的飞速发展，传统蓄电池组如铅酸、镍氢、镍镉电池越来越不能满足当前高速列车对高效运营、能量密度及安全性的需求，石墨基锂离子电池作为较为理想的动力源同样也存在低温充电安全性差的问题。因此，钛酸锂电池凭借安全性高、低温性能好，循环寿命长等优势受到了相关研究人员的密切关注。
1 实验部分
1.1 电池
以2714897方型电池为研究对象，将正负极片通过卷绕形成极组，电池经过入壳、装配、烘干、注液，化成、老化等主要工序后完成制作。
1.2 电池测试
将成品电池分别做常温60d，高温55℃7d以及高温55℃14d浮充。对比测试前后电池的基础性能、充放电曲线、DCIR、倍率性能及循环性能的变化。
2 结果与讨论
2.1 基础性能
电池经过常温浮充60d、55℃浮充7d、55℃浮充14d后，电池厚度变化率分别是-1.2%、-1.3%以及-1.0%，残余容量百分比分别为98.96%、99.12%以及99.85%。浮充后电池无明显产气且容量无衰减得益于方型钛酸锂电池特殊的化成工艺，使得负极表面形成钝化膜，限制了电解液与钛酸锂负极的进一步接触，起到了抑制产气的作用，同时减少了不可逆容量的产生[2]。
2.2 充放电曲线
图1为不同浮充条件下充放电曲线对比图，通过对比发现，电池在初始状态的充放电曲线与不同浮充条件下的充放电曲线无显著差别，验证了电池在长期浮充条件下的稳定性。
2.3 DCIR数据对比
電池经过常温浮充60d、55℃浮充7d、55℃浮充14d后，电池50%SOC充电DCIR增量分别为10.3%、13.7%、13.6%，这是因为电池在浮充过程中，钛酸锂负极与电解液不断反应，SEI膜增厚，负极片表面电化学阻抗增加[3]，因此充电直流内阻均有所上升;50%SOC放电DCIR增量分别为6.6%、10.3%、10.8%，放电DCIR变化较小的原因是满电状态下的钛酸锂负极具有极高的电子电导率及离子电导率，负极钛酸锂的界面阻抗较小，因此对电池放电DCIR影响较小。
2.4 倍率性能对比
电池经过常温浮充60d、55℃浮充7d、55℃浮充14d后，10C倍率放电容量百分比分别为99.9%、101.16%以及100.82%，与电池初始状态下10C倍率放电特性保持一致，因此浮充对倍率放电影响甚小;而对浮充后电池以5C倍率充电12min后，三支电池充电容量百分比分别为89.0%、93.3%、92.7%，与初始状态下5C倍率充电有一定差距。这是因为长时间浮充钛酸锂负极与电解液发生副反应导致界面阻抗增加[4]，因此大电流充电时负极表面电化学极化更为明显，充电性能有所下降。
2.5 循环性能
如图2所示，浮充后电池经过1000次3C/3C循环后，容量依旧没有衰减，电池无鼓胀现象。昼夜温差会影响三元材料的克容量发挥，温度越高电池可用容量也就越高[5]，因此循环过程中出现了较明显的容量波动。浮充后容量并没有出现明显的衰减，得益于方型钛酸锂电池特殊的化成工艺，使得负极表面形成钝化膜，限制了电解液与钛酸锂负极的进一步接触，起到了抑制产气的作用，同时减少了不可逆容量的产生，提高了电池循环寿命。
3 结语
对方型钛酸锂电池分别进行常温浮充60d，高温55℃浮充7d，高温55℃浮充14d测试，通过数据对比发现，浮充后电池无明显产气，容量无损失，浮充前后充放电曲线无明显变化，但由于浮充过程中钛酸锂负极界面阻抗有一定增加，因此充电直流内阻有所增加，影响了电池大倍率充电特性。浮充对电池循环性能无明显影响，得益于方型钛酸锂电池特殊的化成工艺，使得负极表面形成钝化膜，限制了电解液与钛酸锂负极的进一步接触，起到了抑制产气的作用，同时减少了不可逆容量的产生，提高了电池循环寿命。
参考文献
[1] 苏剑，李红兵.钛酸锂电池在动车组上的应用研究[J].机车电传动，2011（4）：38-40.
[2] Armand. Building better batteries. Nature， 2008，16502.
[3] 李懿洋.锂离子电池低温充放电循环与高温浮充下的失效机理研究[J].山东化工，2017（5）：93-94.
[4] Palacin MR， Guibert A. Why do batteries fail？ Science， 2016， 351（6273）：1253292.
[5] 吴燕，周云山，李泉. 三元锂电池SOC电量准确估计仿真研究[J].计算机仿真2017（12）：34.
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