锂离子电池并联研究_周显茂

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广州化工2010年38卷第3期

锂离子电池并联研究

周显茂,张　郑,袁昌杰

(广东国光电子有限公司,广东　广州　510800)

摘　要:研究了锂离子电池单体的容量、放电平台、初始电压、自放电率等参数对并联电池性能的影响。结果表明,单体锂离子

电池的自放电率对电池组影响较大;并联前单体电池的电压差也要控制;而单体电池的容量差异对电池组影响不大。

关键词:锂离子电池、电池单体、并联、电池组

ＳｔｕｄｙｏｆＬｉｔｈｉｕｍ-ｉｏｎＣｅｌｌｓＰａｒａｌｌｅｌ

ＺＨＯＵＸｉａｎ-ｍａｏ,ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｇ,ＹＵＡＮＣｈａｎｇ-ｊｉｅ

(ＡｐｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｏ.,Ｌｔｄ.,ＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｕａｎｇｚｈｏｕ510800,Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｌｉｔｈｉｕｍ-ｉｏｎｃｅｌｌｍｏｎｏｍｅｒｏｎｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｂａｔｔｅｒｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ,ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙ,

ｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｌａｔｆｏｒｍ,ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｖｏｌｔａｇｅ,ａｎｄｓｅｌｆ-ｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｔｅｏｆｌｉｔｈｉｕｍ-ｉｏｎｃｅｌｌｍｏｎｏｍｅｒ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｓｉｎｇｌｅｌｉｔｈｉｕｍ-ｉｏｎｃｅｌｌｓｅｌｆ-ｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｔｅｈａｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｔｏｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ,ａｎｄｔｈｅｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｖｏｌｔａｇｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｅｆｏｒｅｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ,ｗｈｉｌｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｓｉｎｇｌｅｃｅｌｌｈａｄｉｎｃｏｎｓｐｉｃｕｏｕｓｅｆｆｅｃｔｔｏｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:Ｌｉ-ｉｏｎｃｅｌｌ;ｃｅｌｌｍｏｎｏｍｅｒ;ｐａｒａｌｌｅｌｉｎｇ;ｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ

锂离子电池自工业化以来,发展极其迅速。其突出的优势是能量密度高、循环寿命长、环境友好、自放电率低等,应用领域有便携式数码产品、电动工具、电动车、电动玩具等[3]。对电动工具、电动车、手提电脑领域,通常都是将多只单体电池串并联使用,以提高电池组的能量。本文以软包装锂离子电池为研究对象,研究了单体电池的性能参数对并联电池组性能的影响。

[1-2]

1.3　并联电池组

并联组合方式如图1[4]。

1　实验部分

1.1　四种软包装锂离子单体电池的制作

表1　试验电池种类

电池种类

ａｂｃｄ

电池型号设计容量/ｍＡｈ503448503448603448603448

800800950950

正极材料钴酸锂钴镍锰酸锂钴酸锂

钴酸锂：钴镍锰酸锂=1：1

图1　两只单体并联方式

(1)不同容量单体电池并联:选择正极材料都是钴酸锂的ａ类和ｃ类单体电池,容量有明显差异,并联测试。

(2)不同正极单体电池并联(即不同放电平台)单体电池并联:选择容量相近、正极材料分别是钴酸锂和钴镍锰酸锂的ａ类和ｂ类单体电池,并联测试。

(3)不同初始电压单体电池并联:选择ａ类单体电池,容量相近,单体电池初始电压相差250ｍＶ,并联测试。

(4)不同自放电率的单体电池并联:选择ａ类单体电池,容量相近,单体电池自放电率有差异,并联测试。

1.2　单体电池测试

确良测试三种正极单体电池的1Ｃ放电曲线,测试单体电池

的放电容量、电压、内阻、放电平台、自放电率;并抽样测试1Ｃ循环寿命。

2　测试结果

2.1　不同正极材料单体电池的1Ｃ放电曲线

钴酸锂正极的放电平台较高,3.6Ｖ放电容量达80%左右;

作者简介:周显茂(1968-),男,天津大学电化学本科毕业,广东国光电子有限公司总工程师,从事锂离子电池研究。Ｅ-ｍａｉｌ:ｚｘｍ@ａｅｃｂａｔｔｅｒｙ.ｃｏｍ

2010年38卷第3期

三元(钴镍锰酸锂)正极放电平台最低,3.6Ｖ放电容量50%左右;1：1混合正极放电平台居中,3.6Ｖ放电容量65%左右。由于三元正极放电时脱锂电位要低于钴酸锂,因此其放电平台较低,而钴酸锂与三元按1：1混合的正极,放电脱锂时,电位从高到低依次放电,其放电平台介于钴酸锂和三元正极之间。

[3]

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镍锰酸锂,两者的放电曲线明显不同,如图2。而如果正极采用上述两种正极材料按1：1混合(实验中的ｄ类电池),则1Ｃ放电曲线与并联后的电池组的放电曲线对比如图3:两者几乎是重叠的。即不同放电平台的电池并联后,电池组的放电平台介于两单体电池之间,电池组的循环性能正常。

表4　不同放电平台单体电池并联测试结果

电池类型

1Ｃ放电3.6Ｖ容量/ｍＡｈ1Ｃ放电3.5Ｖ容量/ｍＡｈ1Ｃ放电3.4Ｖ容量/ｍＡｈ1Ｃ放电3.0Ｖ容量/ｍＡｈ1Ｃ循环300周容量保持/%

单体1

单体2

并联电池组103713111483164887.3

(ａ类电池)(ｂ类电池)

650734803834-458583704831-

图2　不同正极材料电池1.0Ｃ放电曲线

2.2　单体电池循环寿命

表2　单体电池循环寿命测试结果

电池类型正极材料

1Ｃ循环300周容量保持/%

ａ钴酸锂86.4

ｂ钴镍锰酸锂

88.3

ｄ钴酸锂:钴镍锰酸锂=1：1

87.6

图3　不同正极单体并联电池组1Ｃ放电曲线、

混合正极电池单体1Ｃ放电曲线

从表2中可看出,三种正极材料的循环寿命相比,钴镍锰酸

锂最好[3,5]。

2.5　单体电池初始电压对并联电池组的影响

(1)单体电池和并联电池组测试结果

表5　不同初始电压单体电池并联测试结果

2.3　单体电池放电容量对并联电池组的影响

表3　不同电池容量单体并联测试结果

电池类型电压/Ｖ内阻/ｍΨ3.0Ｖ容量/ｍＡｈ1Ｃ循环300周容量保持/%

单体1

单体2

并联电池组3.84718.0180586.3

电池类型电压/Ｖ1Ｃ放电容量/ｍＡｈ1Ｃ循环300周容量保持/%

单体1单体2并联电池组3.863163987.6

(ａ类电池)(ｃ类电池)3.84534.5834—

3.84833.8978—

(ａ类电池)(ａ类电池)3.942835—

3.692823—

(2)由于两单体电池电压相差较大ΔＶ=250ｍＶ,并联后,高电压电池必定会向低电压电池充电,充电流变化如图4。

根据电池并联的特性,充放电循环时,两单体电池的分电流

之和始终等于电池组的总电流,而两单体电池的电压永远是相等的,因此其电池容量理论上满足:ＣＣ1+Ｃ2,且并联后循环总=寿命不会受到影响;电池组的内阻也相当于两个分电阻并联,因此理论上也满足1/Ｒ总=1/Ｒ1+1/Ｒ2。

从表3结果可知:并联电池组内阻初步满足1/ＲＲ1+总=1/1/Ｒ2,相差5.2%,可以解释为并联过程的接触电阻对电池组内阻测试有影响;并联电池组容量初步满足:ＣＣ1+Ｃ总=2,相差0.4%。不同容量电池并联后,循环性能正常。

图4　初始电压相差250ｍＶ单体电池并联后,两电池间电流曲线

2.4　单体电池放电平台对并联电池组的影响

2.4.1　单体电池和并联电池组基本数据,见表4。2.4.2　放电曲线

由于单体电池采用了不同的正极材料,一是钴酸锂,一是钴从图4可知,两单体电池ΔＶ=250ｍＶ时,并联初始充放电

电流达到1020ｍＡ,但只是瞬间,10秒种后降到780ｍＡ。电池组循环性能正常,该规格电池充电电流最大为1Ｃ:800ｍＡ,上述瞬间

(下转第126页)

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在266ｎｍ激光激发下,ＺＺ-1也表现出了发绿光的特性,其发光

+光谱具有典型的ＵＯ22的发光特征。其特点是出现冠状的五个

3　结　论

以异佛尔酮二胺为模板剂合成了亚磷酸铀[Ｃ10Ｈ24Ｎ2]·[(ＵＯ2)ＨＰＯ3),其结构由ＵＯ7单体、Ｕ2Ｏ13二聚体以2(3]·Ｈ2Ｏ及亚磷酸根构成,ＵＯ7单体、Ｕ2Ｏ13二聚体分别由亚磷酸根连接形

成两种相互平行交替排列的四元环长链,这些链结构进一步由亚磷酸根桥连成片层结构,并堆积形成层状结构,质子化的有机胺和水嵌于层间。有趣的是,ＺＺ-1中只含有顺式的异佛尔酮二胺离子,预示着ＺＺ-1的合成实现了异佛尔酮二胺顺反异构体的拆分。荧光测试中,化合物ＺＺ-1在266ｎｍ激光激发下发出强烈的绿光。

参考文献

[1]　Ｘｕ.ＪＦ,Ｌｉ.ＨＨ,Ｃａｏ.ＹＮ,ｅｔａｌ.ＳｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＴｗｏ

ＮｅｗＯｒｇａｎｉｃａｌｌｙＴｅｍｐｌａｔｅｄＯｐｅｎ-ｆｒａｍｅｗｏｒｋＵｒａｎｉｕｍＰｈｏｓｐｈｉｔｅｓ[Ｊ].Ｃｈｉｎｅｓｅｊｏｕｒｎａｌｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ,2006,25:1380-138.[2]　ＳｕｋｈｅｎｄｕＭａｎｄａｌ,ＭａｎａｂｅｎｄｒａＣｈａｎｄｒａ,ＳｒｉｎｉｖａｓａｎＮａｔａｒａｊａｎ.Ｓｙｎｔｈｅ-

发光峰。依次是503ｎｍ,525ｎｍ,549ｎｍ,575ｎｍ和604ｎｍ。主

峰位于525ｎｍ,主峰两侧在503ｎｍ,549ｎｍ,575ｎｍ和604ｎｍ伴有几个较弱的发光,这与文献中亚磷酸铀晶体的发光光谱十分相似(如图7)。

图7　ＺＺ-1荧光光谱图ｓｉｓ,Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ,ａｎｄＵｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎＳｔｕｄｉｅｓｏｎＯｒｇａｎｉｃａｌｌｙＴｅｍｐｌａｔｅｄＵｒａ-ｎｉｕｍＰｈｏｓｐｈｉｔｅｓ[Ｊ].ＩｎｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ,2007,46(19):7935-7943.

(上接第113页)

大电流充放电没有对电池组造成不良的影响。因此对该型号电池,并联单体的初始电压差要控制在250ｍＶ以内。

由于不同初始电压的电池单体并联成为一个电池组后,两单体电池电压将永远是相等的,电池组循环过程不会再受初始电压不同的影响,因此其循环寿命正常,如表5的结果。

3　结　论

单体电池的放电容量对并联电池组性能基本没有影响;不同正极材料钴酸锂、钴镍锰酸锂的单体电池并联后,放电曲线与上述两材料按1：1混合的单体电池相同;单体电池的初始电压差

对电池组有影响,要加以控制,并联瞬间两电池间会有充放电电流通过;自放电率对并联电池组影响较大,只要有一只单体电池内部有微短路,则电池组也会发生微短路,严重影响电池组性能。

2.6　单体电池自放电率对并联电池组的影响

其中一只非正常自放电率单体电池并联结果见表6。表6　一只非正常自放电率单体电池并联测试结果

电池类型

单体1(ａ类电池)2.4(正常)

825-单体2(ａ类电池)14.4(异常,内部有微短路)

828-并联电池组12.5164271.3

参考文献

[1]　Ｇｕｏｂｉｎｇｋｕｎ,ｅｔａｌ.(郭炳焜,等).锂离子电池[Ｍ].Ｃｈａｎｇｓｈａ(长

沙):ＰｒｅｓｓｏｆＣｅｒｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(中南大学出版社),2000.[2]　Ｈｕｘｉｎｇｕｏ(胡信国).动力电池技术与应用[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ(北京):

ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ(化学工业出版社),2009.

[3]　Ｗｕｙｕｐｉｎｇ,ｅｔａｌ.(吴宇平,等).聚合物锂离子电池[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ

(北京):ＣｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ(化学工业出版社),2007.[4]　Ｚｈａｎｇｈｕａｈｕｉ,ｅｔａｌ.(张华辉,等).锂离子电池组合前后的特性研

究[Ｊ].ＢａｔｔｅｒｙＢｉｍｏｎｔｈｌｙ(电池),2007,37(4):294-296.[5]　Ｗａｎｇｚｈａｏｘｉａｎｇ,ｅｔａｌ.(王兆翔,等).锂离子电池正极材料研究进

展[Ｊ].Ｃｈｉｎｅｓｅｊｏｕｒｎａｌｏｆｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｓ(电源技术),2008,32(5):287-292.

自放电率/(%/月)3.0Ｖ容量/ｍＡｈ1Ｃ循环300周容量保持/%

从表6可知,有一只单体电池自放电率很高,并联电池组自放电率也很高,循环很差,其机理为:只要有一只电池内部有慢性短路(电子导通),则该电子导通短路会将两只已并联的单体

电池的正负极都连接,从而整个电池组会有慢性短路,循环性能也很差。

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