动力锂离子电池全生命周期内电热特性的演变规律研究

作     者：潘帅 

作者单位：北京工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：纪常伟;陈杰

授予年度：2020年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：动力锂离子电池 老化特征 老化路径 热安全性 

摘      要：随着能源和环境保护需求的日益提高,电动汽车的研究和商业化得到了快速发展。但如今动力锂离子电池老化过程中的性能衰退以及全生命周期内存在的热安全问题制约了电动汽车应用的进一步发展。因此,探究动力锂离子电池全生命周期内电热特征参数的演变规律是实现精准故障诊断、状态评估和热失控预警的重要基础。本文以正极材料为NCA的21700高比能量动力锂离子电池为研究对象,基于老化与性能测试系统、绝热量热测试系统和外短路测试系统,对老化特征、老化路径以及老化过程的热安全性演变展开了探究。首先,基于加速老化实验、容量增量测试、倍率特性测试、HPPC测试,在多种充放电和环境条件下对动力锂离子电池老化过程中特征参数的变化规律进行了探究与分析。研究发现:尽管21700电池具有较高的能量密度,但由于严重的镍锂混排现象,持续老化过程中表现出了极差的循环性能。电池容量、能量和能量效率在250次加速老化循环内快速衰减。与此同时,老化过程中电池内部伴随着明显的产气行为,导致电池负极端膨胀。通过对容量增量曲线进行分析,四个峰的高度、面积和位置均明显改变,其中3.50V～3.80V区间内容量损失速率占整体损失的比例最高。电池的倍率特性、环境适应性均变差。开路电压的变化趋势更加平缓。内阻及内阻的温度敏感性明显增长。其次,通过设计多种老化路径,分别探究了充放电倍率、充放电深度以及环境温度对动力锂离子电池老化速率的影响。此外,结合电池电压变化原理和遗传算法求解最优解的方法,对老化过程中的放电电压曲线进行了特征参数识别,定量探究了老化路径对电池材料性能衰减的影响规律。研究结果表明:采用较大的充放电电流、较大的充放电深度、较高的电压区间和较低的环境温度充放电会促进电池的老化速率。采用较高充电倍率老化时,电池内部既发生了活性锂损失又发生了活性材料损失。而较低的充放电深度可以减缓活性材料的损失,但不可以有效抑制活性锂损失。低温环境下的锂沉积加速了正极材料和活性锂损失。最后,结合电动汽车安全事故的实际场景,从正常使用、绝热滥用和外短路滥用三个角度探究了老化程度对热安全性的影响。电池充放电时的温升速率和最高温度均有提高,老化引起的温升效应在高倍率和低温放电时更加显著,产热量的增加主要源于不可逆产热的增加。热失控酝酿阶段,电池自产热行为对应的临界温度随着电池老化程度的增加先增加后降低,电压失效温度持续降低。热失控发生过程中,电池内部反应更加充分,温度和温度变化率均更高,活性材料的喷射现象更加严重。外短路滥用下,短路电流随着老化逐渐降低,但持续时间更长,电池表面温度略有升高。