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高镍三元锂电池不同过充电压下循环产热及热失控特性研究

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高镍三元锂电池不同过充电压下循环产热及热失控特性研究

作者：贾隆舟青岛大学

学位级别：硕士

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本文以18650型高镍三元锂电池为研究对象,研究了电池容量衰减原因、产热性能和热失控特性。试验中将电池过充至三个不同的截止电压(4.3V、4.4V、4.5V)并循环一定的次数(180次)直到... 详细信息

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本文以18650型高镍三元锂电池为研究对象,研究了电池容量衰减原因、产热性能和热失控特性。试验中将电池过充至三个不同的截止电压(4.3V、4.4V、4.5V)并循环一定的次数(180次)直到电池容量衰减较大,通过测试电池的交流阻抗谱和容量增量曲线来分析电池容量衰减机理;通过理论计算与试验相结合的方式研究过充循环后的电池在标准充放电倍率(0.5C)下的产量热量,并将两者对比;研究新电池和过充循环后的电池在100%荷电状态(State of Charge,SOC)下的热失控参数,并进行对比。主要研究内容如下:(1)通过测试电池过充循环过程中的交流阻抗谱和容量增量曲线来分析过充循环导致电池容量衰减的原因,研究发现活性锂离子的损失和活性材料的损失是电池容量衰减的主要原因,电池电导率的损失对电池容量衰减影响不大。(2)对电池进行混合动力脉冲测试和熵热系数测试来计算新电池和过充循环后的电池在标准充放电倍率(0.5C)下的产热量,并通过BTC-ISO等温量热试验测试电池在标准充放电倍率下实际的产热量,将理论计算结果与实际测试数值进行对比。研究发现:理论计算测得的新电池、4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池在0.5C倍率下充电产热量分别为1.94KJ、1.58KJ、1.55KJ、1.33KJ,放电产热量分别为1.81KJ、1.46KJ、1.39KJ、1.19KJ;等温量热试验测得新电池、4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池在充电产热量分别为2.24KJ、1.72KJ、1.72KJ、1.68KJ,放电产热量分别为2.04KJ、1.50KJ、1.52KJ、1.36KJ。通过计算测得的四个电池充电产热量误差分别为13.39%、8.13%、9.88%、20.83%,放电产热量误差为11.27%、2.67%、8.55%、12.50%。(3)通过绝热加速量热仪(Adiabatic Rate Calorimeter,ARC)研究新电池、4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池在100%SOC下的热失控特征参数(自产热起始温度T、热失控触发温度T、热失控最高温度T),并通过计算得到电池热失控的产气量。研究发现:新电池、4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池的自产热起始温度分别为78.62℃、75.44℃、76.06℃和73.76℃,新电池的自产热起始温度最高,4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池的自产热起始温度分别比新电池的自产热起始温度低3.18℃、2.56℃和4.86℃;热失控触发温度分别为241.42℃、229.91℃、237.54℃和222.72℃,新电池的热失控触发温度最高,4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池的热失控触发温度分别比新电池低11.51℃、3.88℃和18.7℃;热失控达到的最高温度分别为512.26℃、517.23℃、656.79℃和656.3℃,4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池的热失控最高温度分别比新电池高4.97℃、144.53℃和139.63℃;新电池、4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池热失控时的产气量为47.67L、20.85L、24.38L、9.06L,新电池热失控时的产气量要明显多于三个过充循环电池,4.3V、4.4V和4.5V过充循环电池热失控时的产气量分别比新电池少26.82L、23.29L、38.61L。

关键词：三元锂电池过充熵热系数内阻产热量热失控

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软包磷酸铁锂电池高电压浮充后热安全研究

储能科学与技术 2022年第8期11卷 2546-2555页

作者：尹涛贾隆舟常修亮戴作强郑莉莉青岛大学机电工程学院青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程技术中心(青岛) 山东青岛266071

磷酸铁锂电池以其较好的安全性在储能领域得到了广泛应用。本工作以额定容量21 Ah的软包磷酸铁锂电池为实验对象,在25℃下以4.05 V、4.25 V、4.50 V和5.0 V高电压下浮充电24 h。研究单体高温热失控和材料热稳定性。结果表明,在4.25 V、4... 详细信息

磷酸铁锂电池以其较好的安全性在储能领域得到了广泛应用。本工作以额定容量21 Ah的软包磷酸铁锂电池为实验对象,在25℃下以4.05 V、4.25 V、4.50 V和5.0 V高电压下浮充电24 h。研究单体高温热失控和材料热稳定性。结果表明,在4.25 V、4.50 V和5.0 V电压下均出现鼓胀,电压升高鼓胀加剧。在5.0 V电池破裂,负极活性材料溶解,铜集流体裸露,同时出现大量锂沉积。在4.05 V、4.25 V和4.50 V下浮充后的高温热失控试验中发现,随电压升高电池破裂温度下降,热失控触发温度由249.86℃升至278.65℃,提前破裂释放能量使得热失控触发温度升高,但并不具有较好的安全性,热失控最高温度由484.67℃升至516.08℃,最大温升速率也明显升高,且热失控触发到最高温度时间缩短,高电压浮充后电池热稳定性变差,热失控更加剧烈。隔膜在120.63℃开始发生相变,在367.06℃开始分解。而正、负极未出现明显分解,其自身热稳定性较好。因此应避免高电压使用,保持电池安全使用和稳定运行。

关键词：磷酸铁锂电池高电压浮充热失控材料热稳定性安全

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高镍三元正极材料锂离子电池的热失控分析

电池 2022年第1期52卷 58-62页

作者：贾隆舟郑莉莉王栋戴作强青岛大学机电工程学院山东青岛266071 青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心山东青岛266071

研究使用3种高镍三元正极材料[Li(Ni_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1))O_(2)(NCM811)、Li(Ni_(0.5)Co_(0.2)Mn 0.3)O_(2)(NCM523)和Li(Ni_(0.8)Co_(0.1)5 Al_(0.5))O_(2)(NCA)]的锂离子电池在100%荷电状态(SOC)状态下的热失控特征参数。进行3组重复性实验,对比自产热起始温度θ_(1)、热失控触发温度θ_(2)、热失控最高温度θ_(3)及相同温度点的升温速率。NCM811和NCM523电池的平均θ_(1)比NCA电池(82.15℃)分别高18.78℃和12.19℃,NCM523和NCA电池的平均θ_(2)比NCM811电池(148.75℃)分别高11.42℃和3.08℃,NCM811和NCA电池的平均θ_(3)比NCM523电池(560.18℃)分别高84.80℃和74.82℃,NCM811和NCA电池的最大升温速率平均值比NCM523电池(387.27℃/min)分别高176.13℃/min和143.85℃/min。NCM523电池的热安全性最高,NCM811电池和NCA电池的热安全性相近。

关键词：锂离子电池高镍正极材料三元正极材料热失控热安全性

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过充循环对锂离子电池容量衰减及安全性影响

储能科学与技术 2022年第12期11卷 3978-3986页

作者：许卓李希超贾隆舟陈兵戴作强郑莉莉青岛大学机电工程学院青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程技术中心(青岛) 山东青岛266071

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本工作以18650型NCM811锂离子电池为研究对象,将电池过充至3个不同的截止电压(4.3 V、4.4 V、4.5 V)并循环一定的次数(180次)直到电池容量大幅度衰减,基于测试分析4.5 V过充循环电... 详细信息

随着能源问题的出现,锂离子电池已成为人们关注的热点。本工作以18650型NCM811锂离子电池为研究对象,将电池过充至3个不同的截止电压(4.3 V、4.4 V、4.5 V)并循环一定的次数(180次)直到电池容量大幅度衰减,基于测试分析4.5 V过充循环电池的交流阻抗谱和容量增量曲线来定性和定量地研究电池容量衰减机理。研究发现活性锂离子的损失和活性材料的损失是电池容量衰减的主要原因,电池电导率的损失对电池容量衰减影响不大。通过绝热加速量热仪(adiabatic rate calorimeter,ARC)研究新电池,4.3 V、4.4 V和4.5 V过充循环电池在100%SOC下的热失控特征参数(自产热起始温度T_(1)、热失控触发温度T_(2)、热失控最高温度T_(3))。发现在热失控发生过程中,电池达到相同的温度时,4个电池的温升速率大小分别是新电池<4.3 V过充循环电池<4.4 V过充循环电池<4.5 V过充循环电池。电池在经过过充循环之后热稳定性变差。过充循环后,电池的自产热起始温度降低、热失控触发温度降低。

关键词：锂离子电池过充循环电化学阻抗谱热失控

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过充循环老化电池产热特性

储能科学与技术 2023年第3期12卷 685-697页

作者：常修亮李希超贾隆舟韦守李王敬豪戴作强郑莉莉青岛大学机电工程学院青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程技术中心(青岛) 山东青岛266071

锂离子电池凭借其良好的性能,在新能源汽车的发展过程中备受青睐,但电池成组后因为电池的不一致性等原因会造成部分电池出现过充电现象,长期循环会影响电池的性能和寿命。本工作对某锂离子电池分别进行了4.3 V、4.4 V和4.5 V的过充循环... 详细信息

锂离子电池凭借其良好的性能,在新能源汽车的发展过程中备受青睐,但电池成组后因为电池的不一致性等原因会造成部分电池出现过充电现象,长期循环会影响电池的性能和寿命。本工作对某锂离子电池分别进行了4.3 V、4.4 V和4.5 V的过充循环试验,通过对新电池及过充循环后的电池进行开路电压温度系数测试、混合功率脉冲测试和等温量热测试获得了电池的熵热系数、等效直流内阻和产热功率及产热量,并利用Bernadi产热模型计算了电池的可逆热和不可逆热,综合分析过充循环对电池充放电产热特性的影响。结果表明,高的过充电压对电池性能影响更加明显,与新电池相比,4.3 V、4.4 V过充循环后的电池内阻增加并不明显,4.5 V过充循环后电池内阻最大增加了42.41%;过充循环后的电池熵热系数曲线波动更加明显且幅度随着循环电压的增大而增大;相比于放电,过充循环对电池的充电产热特性影响更明显;在电池产热的热源中,过充循环会先对可逆热产生影响,且随着过充电压的升高,可逆热占比呈现出增大的趋势。

关键词：锂离子电池过充循环等效直流内阻熵热系数电池产热

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18650三元锂离子电池的放电热特性

储能科学与技术 2021年第1期10卷 319-325页

作者：冯燕郑莉莉戴作强王栋贾隆舟尹涛青岛大学机电工程学院青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心山东青岛266000

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40℃、25℃时的0.5 C、1 C、2 C放电倍率实验与0℃、-25℃时0.5 C倍率的放电实验,得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线,并验证电化学-热耦合模型的可靠性,在25℃时模型精确度最高,... 详细信息

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40℃、25℃时的0.5 C、1 C、2 C放电倍率实验与0℃、-25℃时0.5 C倍率的放电实验,得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线,并验证电化学-热耦合模型的可靠性,在25℃时模型精确度最高,电压误差为0.07 V,温度误差为0.8℃,-25℃时精确度最低,电压误差为0.6 V,温度误差为1.5℃。借助模型进行25℃时电池的电极产热分析,并模拟25℃温度条件下2 C放电时的温度场分布,放电结束时电池正负极极耳处温度最高,具体数值为34.8℃,与气流正对的电池表面的温度最低,数值为34℃,在气流后侧距电池中心50 mm处的模型边界处受电池产热与气流的影响温度上升4℃。

关键词：锂离子电池电化学-热耦合模型放电倍率温度

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锂离子电池浮充电研究综述

储能科学与技术 2021年第1期10卷 310-318页

作者：尹涛郑莉莉贾隆舟冯燕王栋戴作强青岛大学机电工程学院青岛大学动力集成及储能系统工程技术中心电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程技术中心(青岛) 山东青岛266071

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长和安全性能好,逐渐取代铅酸电池成为市场上的主流电池。同时锂电池在储能电站、通信基站、变电站等后备电源系统和常用笔记本电脑等各个领域也得到了广泛的应用。通过浮充电方式对锂离子电池进行... 详细信息

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长和安全性能好,逐渐取代铅酸电池成为市场上的主流电池。同时锂电池在储能电站、通信基站、变电站等后备电源系统和常用笔记本电脑等各个领域也得到了广泛的应用。通过浮充电方式对锂离子电池进行能量补充是后备电池充电的一种常用方式,而长期的浮充电将使得电池内部结构发生变化,造成电池循环寿命减少,甚至引发安全性问题。本文从外部温度影响、浮充电压的差异、和电池组单体的不一致性三个方面,综述了不同因素对浮充性能的影响,以及浮充电后对锂离子电池的影响。便于优化储能锂离子电池的浮充条件,确保电池稳定运行下提高其使用寿命,以及对于储能锂离子电池的研究进展提供指导。

关键词：锂离子电池浮充电温度电压不一致性

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深空探测超宽光谱定标黑体源研制

光子学报 2024年第2期53卷 127-139页

作者：董惠文张家平练敏隆肖大舟王伟刚鲁越晖北京空间机电研究所北京100094 宁波大学物理科学与技术学院宁波315211 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波315201

针对深空探测超宽光谱定标黑体源的关键技术问题,构建了一种基于优化微结构和纳米超黑涂层的深空探测星上黑体定标源。基于有限元方法仿真,验证了微锥结构不同宽高比与黑体发射率间的对应关系,确定了周期性线阵V槽结构相对于平面结构在... 详细信息

针对深空探测超宽光谱定标黑体源的关键技术问题,构建了一种基于优化微结构和纳米超黑涂层的深空探测星上黑体定标源。基于有限元方法仿真,验证了微锥结构不同宽高比与黑体发射率间的对应关系,确定了周期性线阵V槽结构相对于平面结构在黑体发射率方面的提升作用。优化星上黑体源高发射率微结构,优选空间超黑高发射涂层,设计星上黑体源高精度测温系统,进而完成黑体源工程设计。最后,通过星上黑体源发射率计量及实验室辐射定标稳定性测试进行验证。检测结果表明,深空探测超宽光谱定标黑体源具有超宽光谱范围、高发射率、高温度稳定性等特点,其光谱范围为5~50μm,法向平均发射率为0.986,温度稳定性达到0.16 K。该定标黑体源可大幅提升高发射率辐射定标源的光谱范围,为深空探测载荷的在轨高精度星上辐射定标提供支撑。

关键词：深空探测定标超宽光谱高发射率 PID控温高稳定性

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建筑工程土建施工过程质量通病及其防治措施

城市建设理论研究(电子版) 2024年第21期 89-91页

作者：贾敬舟北京城建集团有限责任公司

土建施工是建筑工程施工建设的重要组成部分，需要对土建施工相关内容展开深入研究。本文将建筑工程土建施工过程作为研究对象，从主体结构、隐蔽工程、其他部分三个维度，详细分析质量通病及其防治措施，旨在为更多建筑工程施工单位提... 详细信息

土建施工是建筑工程施工建设的重要组成部分，需要对土建施工相关内容展开深入研究。本文将建筑工程土建施工过程作为研究对象，从主体结构、隐蔽工程、其他部分三个维度，详细分析质量通病及其防治措施，旨在为更多建筑工程施工单位提供技术指导，提升土建施工过程质量通病防治水平，向社会输出更多高质量建筑工程，推动社会经济有序发展。

关键词：建筑工程土建施工质量通病防治措施