磷酸铁锂动力电池性能受温度的影响分析

磷酸铁锂动力电池性能受温度的影响分析

王鑫

合肥工业大学材料科学与工程学院 安徽合肥 230009

摘要：磷酸铁锂动力电池作为当前新能源研究重要对象，以温度为核心，分析其对动力电池性能影响。通过性能受温度影响实验、循环性能实验、存储性能实验，发现开路电压在动力电池荷电处于0%-10%，开路电压与温度变化相反，20%-100%两者为正比例变化关系，温度升高动力电池锂离子消耗速度加快，出现SEI膜分解现象，电池使用寿命缩减，45℃条件下的存储性能下降。由此更全面地了解磷酸铁锂动力电池性能变化，目的在于更好的发掘磷酸铁锂动力电池应用价值。

关键词：磷酸铁锂动力电池；恒流充电；开路电压；电池寿命

磷酸铁锂动力电池的应用，是动力电池技术创新的表现，积极将其投入新能源汽车研究中，利用磷酸铁锂动力电池循环寿命长、高电压平台以及安全性、能量密度高等优势，进一步优化新能源汽车电力设计结构。当前磷酸铁锂动力电池成为新能源研究最关注的电池类型之一。

一、磷酸铁锂动力电池性能受温度影响实验

（一）实验方法

实验材料为磷酸铁锂动力电池，数量为5只，设定不同温度等级，积极开展开路电压测试。具体测试操作主要包括如下内容：

1、将提前准备好的实验电池进行1/3C充放电，待充放电操作完毕，调整电池状态，恒流充电需控制到2.65V，恒压充电则调整到0.005CA，将5只电池放置常温环境静置，时间为24h。随即测量电压内阻，测量条件必须为常温电池荷电状态下完成。待测试完毕，将电池转移到恒温箱中，恒温箱温度提前设定为60℃，随后继续静置，时间为24h。静置完毕将电池取出测量电池的电压内阻。恒温箱温度调整到45℃，重复之前测试行为，陆续调整温度到10℃、0℃，所有电压内阻测试的前提都必须在常温电池荷电状态。

2、及时将实验电池进行恒流电流放电，放电时间控制为18min，放电完毕转移到常温环境静置，静置时间设定为24h，随后测量常温状态中电池电压。之后重复第一步操作，对电池进行1/3C充放电，恒流充电控制2.65V，待所有操作完毕，测量电池电压内阻并详细统计^[1]。

3、再同样重复上述操作步骤，分别测量常温电池荷电0%、10%、20%、....80%、90%温度变化下电池电压情况。

4、将实验电池操作中得到的电压计算平均值，将其设定为不同温度变化下开路电压，随后比较分析。

（二）实验结果

表1为不同温度差异下，开路电路测试统计，结合表1内容可以发现，磷酸铁锂动力电池在常温电池荷电不同状态下，开路电压并不会发生较大的变化，温度升高的同时，开路电压随之升高，温度降低的同时，开路电压随之下降，但是整体上不存在较大差距。若常温电池荷电处于0%-10%状态下，开路电压出现相反变化，出现明显提升。20%-90%以及90%-100%中，开路电压受温度影响变化更明显。

表1-不同温度差异下开路电池测试统计表

二、温度差别条件下动力电池循环性能实验

（一）实验方法

此次实验选择动力电池3只，循环测试温度标准分别为常温、0℃、45℃。温度差别变化下磷酸铁锂动力电池寿命分析，实验测试程序主要包括以下内容：

常温条件与45℃条件下的测试循环程序相同，第一步将电池进行1C恒流充电，充电要求为3.65V，电池恒压充电操作要求为0.05C。第二步休眠，休眠时间设定为10min。第三步是1C恒流放电处理，要求标准为2.0V。第四步同样为休眠，休眠时间设定为10min。第五步是重复以上操作^[2]。磷酸铁锂动力电池中的运行体系，低温条件下电流充电会出现析锂现象。因此0℃实验操作中，循环程序有所调整，第一步与第二步与常温、45℃操作相同，休眠时间同样为10min，但是在实际操作中，还需要对恒流放电情况做出调整，具体结合实验情况而定。

（二）实验结果

实验操作完毕，及时对实验统计数据展开分析。结合实验情况发现，磷酸铁锂动力电池在常温条件中，循环操作次数≥2000次，容量依然十分稳定，均≥87.5%。45℃条件中，循环操作次数≥1500次，容量≤80%。0℃条件中，因为采用的是小电流充电，初次操作中，循环次数达到500次，容量衰减速度相对比较缓慢，但是超过600次后衰减速度明显加快，待循环次数达到1500次时，容量衰减已经达到81.5%。从中可以发现，磷酸铁锂动力电池应用中，若温度高低变化过大，电池寿命都会出现明显变化。正常条件中，周围环境温度变低幅度越大，磷酸铁锂动力电池中的内活性物就会受到影响导致活性降低，如此导致电解液内阻升高，离子扩散难度增加，粘度也会明显升高。低温状态中磷酸铁锂动力电池中的锂离子扩散速度减慢，嵌入难度变大，并且非常容易脱出，容量受到直接影响出现下降，从而造成磷酸铁锂动力电池寿命缩减。温度升高情况中，磷酸铁锂动力电池的负极表面会出现SEI膜分解现象，严重情况下甚至出现破裂、溶解，这样不仅会加大锂离子消耗，加快容量下降速度，同时也会缩减电池使用寿命。

三、温度差异条件中动力电池存储性能实验

（一）实验方法

实验温度条件分别为0℃、25℃、45℃。每个温度参与存储性能测试电池为2只。测试操作如下：

1、测试存储电池容量，将电池1/3C放电，放电标准为2.0V，随后休眠，时间为2min，将电池充电，充电完毕休眠2min，再次将电池放电，及时将放电容量加以记录，此记录数据为参与测试电池的存储前容量。

2、电池充电，操作完毕静置，时间为1h，分别放置到不同温度条件空间加以存储，存储时间为30d。

3、待电池取出后，重复上述步骤，对比电池残余容量、恢复容量。

（二）实验结果

存储性能实验结果详见表2，根据表2内容可以发现，磷酸铁锂动力电池应用中，存储性能受高温影响更大，45℃条件下的存储性能最不理想。之所以如此，离不开SEI膜降解、沉淀等变化，动力电池在这种条件下会出现自放电率增大的现象，从而造成容量损失。磷酸铁锂动力电池低温状态下，自放电率本身低于常温状态，虽然会造成一定的容量损失，但是恢复能力与常温没有明显差别，所以不会对存储性能造成过大的影响。

表2-温度差异条件下动力电池存储性能

结束语：

综上所述，结合实验研究情况发现，电池荷电在20%-90%之间，整体上开路电压不会受到温度较大影响，但是一旦电池荷电达到0%-10%，开路电压波动较大，从这方面可以看出，磷酸铁锂电池性能与温度之间还需要综合使用条件与环境。温度影响动力电池使用寿命，不管是温度过高或者温度过低，使用性能与使用寿命都会发生变化。电池存储性能受高温影响较大，低温影响较小，由此发现，磷酸铁锂动力电池存储尽量避开高温环境空间。

参考文献：

[1]姚雷,侯俊剑,翟洪飞,等.不同温度下锂离子动力电池特性研究[J].电源技术,2019,v.43;No.348(09):43-45+50.

[2]蒋超宇,王伟超,杨学平.混合动力汽车磷酸铁锂动力电池建模与SOC计算[J].储能科学与技术,2018(5):897-901.