Test di alta e bassa temperatura per la batteria al litio

Test di alta e bassa temperatura per la batteria al litio

L'energia e l'ambiente sono le due questioni fondamentali per lo sviluppo sostenibile nel mondo di oggi. I veicoli elettrici ibridi, in quanto mezzi di trasporto ecologici ed efficienti, sono stati sempre più promossi in tutto il mondo. Con la crescente maturità della tecnologia di preparazione delle batterie, la batteria al litio ferro fosfato, in quanto parte importante del sistema di trazione dei veicoli elettrici ibridi, ha un impatto significativo sulla potenza, l'economia e la sicurezza del veicolo. Grazie all'elevata densità energetica, alla lunga durata, all'alta efficienza di carica e scarica, all'ampio intervallo di temperatura applicabile, alla bassa autoscarica, alla bassa resistenza interna, all'assenza di effetto memoria, alla ricarica rapida, all'elevata sicurezza, all'alta affidabilità, al basso costo e alla riutilizzabilità, è riconosciuta come la più promettente batteria di potenza per veicoli.

Tuttavia, nell'uso effettivo della batteria di alimentazione, il materiale al litio-ferro-fosfato ha un'alta impedenza, che influisce direttamente sulla promozione e sull'applicazione della batteria di alimentazione al litio-ferro-fosfato. Per risolvere il problema dell'alta impedenza della batteria e migliorare ulteriormente le prestazioni della batteria al litio-ferro-fosfato, è stata preparata una batteria al litio-ferro-fosfato sostituendo parte del carbonio conduttore con nanotubi di carbonio con un'eccellente conduttività. L'influenza della temperatura sulla batteria al litio ferro fosfato è stata analizzata e studiata in base alla capacità della batteria, alla piattaforma di tensione e alla curva di scarica a diverse temperature ambientali.

1 Test

1.1 Apparecchiature e oggetti di prova

Camera di prova per alte e basse temperature DGBELL, batteria di alimentazione al litio ferro fosfato (cella singola 3,2V, 10Ah)

1.2 Fasi sperimentali

(1) Impostare la temperatura ambiente interna della camera ad alta e bassa temperatura a -40, -20, -100, 25, 40, 55 e 60 ℃, con un'umidità relativa del 40%.

(2) Sviluppare metodi di carica e scarica: Il metodo di carica consiste nel caricare la batteria a una corrente costante di 0,2C (2A) fino a 3,65V a (20 ± 5) ℃, passare alla carica a tensione costante fino a quando la corrente scende a 200mA e interrompere la carica. Il metodo di scarica consiste nel lasciar riposare la batteria per IH a diverse temperature ambientali, quindi scaricarla a una corrente costante di 1C finché la tensione non scende alla tensione di taglio di 2V e calcolare la capacità scaricata.

(3) Formulare lo schema sperimentale: questo esperimento prende 25 ℃ come punto di riferimento per il test della temperatura. In primo luogo, viene effettuato il test delle prestazioni a bassa temperatura. Da 25 ℃ a -40 ℃, i punti di osservazione sono rispettivamente 0, -10, 20 e -40 ℃. La velocità di variazione della temperatura è di 1 ℃/min. In ciascun punto di prova della temperatura, la batteria da testare viene posizionata per 24 ore, quindi viene eseguito il test di prestazione a questa temperatura; quindi, viene eseguito il test di prestazione ad alta temperatura della batteria. Per eliminare l'impatto dei test a bassa temperatura, ripristinare prima la temperatura della camera di prova ad alta e bassa temperatura a 25 ℃ e utilizzare i dati misurati a questa temperatura come punto di riferimento per i test ad alta temperatura. Quindi, condurre test di prestazione ad alta temperatura della batteria, partendo da 25 ℃ a 60 ℃, e studiare la capacità di scarica a 1C di diverse batterie agli ioni di litio.

(4) Quando la camera ad alta e bassa temperatura si è stabilizzata alle condizioni di temperatura impostate, mettere la singola batteria agli ioni di litio con una tensione standard di 3,2 V dopo averla tenuta per 1 anno nella camera di prova per 1 ora, in modo che possa raggiungere l'equilibrio termico.

(5) Quando la batteria si scarica fino alla tensione di taglio di 2,0 V, interrompere la scarica, analizzare ed elaborare i dati pertinenti.

2 Risultati e discussione

Dai dati si evince che la capacità di scarica della batteria al litio-ferro-fosfato nano a bassa temperatura diminuisce gradualmente con la diminuzione della temperatura ambiente, perché in condizioni di bassa temperatura la concentrazione dell'elettrolita della batteria diventa maggiore e la velocità di distacco degli ioni di litio dal materiale dell'elettrodo negativo diventa più lenta.

Inoltre, poiché la resistenza interna della batteria diventa più grande, la curva della capacità di scarica diminuisce e la tensione di scarica della batteria agli ioni di litio viene raggiunta in anticipo, la capacità di scarica diminuisce e l'efficienza di scarica si riduce. A temperature superiori a 0 ℃, la capacità di scarica può sostanzialmente mantenere oltre il 93% della capacità normale, mentre a temperature inferiori a 0 ℃, il tasso di diminuzione della capacità di scarica delle batterie agli ioni di litio aumenta con la diminuzione della temperatura.

Per le batterie al litio ferro fosfato nano, la capacità è dell'88% a -10 ℃, del 75,3% a 20 ℃ e solo del 47,1% a -40 ℃; a 25-10 ℃, il tasso di decadimento della capacità è di circa il 9,5%; a -10~-20 ℃, il tasso di decadimento della capacità è di circa il -12,8%, ma il tasso di decadimento della capacità aumenta bruscamente da -20 ℃ a -40 ℃, raggiungendo circa il 28,2%. Pertanto, -20 ℃ può essere considerato un nodo a bassa temperatura della batteria al litio ferro fosfato.

Quando la temperatura è leggermente superiore alla temperatura ambiente (25 ℃), a causa della maggiore attività del materiale all'interno della batteria agli ioni di litio, il tasso di diffusione degli ioni di litio aumenta e la capacità di scarica aumenta. Nella fase ad alta temperatura, la variazione di capacità della batteria non è molto significativa e la variazione massima di capacità aumenta solo del 3% circa rispetto al benchmark.

Dopo 55 ℃, la curva di capacità è sostanzialmente invariata e a 60 ℃ la capacità è allo stesso livello del punto di riferimento. Tuttavia, in condizioni di alta temperatura, le caratteristiche fisiche del materiale elettrodico della batteria al litio subiscono un'attenuazione irreversibile e l'intensità di reazione del materiale elettrodico si indebolisce, per cui la capacità di scarica e l'efficienza di scarica diminuiscono. Da questo punto si evince che l'uso a lungo termine delle batterie in ambienti con temperature superiori a 50 ℃ dovrebbe essere evitato il più possibile.

La temperatura di esercizio ideale della batteria agli ioni di litio dovrebbe essere compresa tra 18 e 50 ℃ per garantire un'efficienza di scarica superiore all'80% e soddisfare i requisiti di potenza dell'intero veicolo. Da alcuni riferimenti e manuali tecnici, si evince che per garantire la durata della batteria stessa, la temperatura di esercizio dovrebbe essere controllata tra 20 e 50 ℃.

A - 20 ℃, la capacità di scarica delle due diverse batterie al litio è pari al 75,01% della capacità nominale e le prestazioni della batteria al nano litio e fosfato di ferro sono migliori di quelle della batteria al litio e fosfato di ferro; a -40 ℃, le prestazioni di scarica della batteria al nano litio e fosfato di ferro sono più eccellenti e la capacità di scarica è pari al 47,1% della capacità nominale, mentre la batteria al litio e fosfato di ferro è solo del 37,5%. Pertanto, l'uso di nanotubi di carbonio con un'eccellente conduttività per sostituire parte del carbonio conduttivo per realizzare le piastre positive al litio ferro fosfato ha migliorato notevolmente le prestazioni di carica e scarica della batteria al litio ferro fosfato.

3 Conclusioni

Sono state analizzate le prestazioni in termini di temperatura della batteria al litio-ferro-fosfato nano e della normale batteria al litio-ferro-fosfato al carbonio conduttivo. I risultati sperimentali mostrano che la temperatura ambientale ha un grande impatto sulla capacità della batteria al litio ferro fosfato.

La capacità decade rapidamente alle basse temperature, mentre la capacità verde aumenta rapidamente alle alte temperature, ma il tasso di variazione è inferiore a quello delle basse temperature. Inoltre, i nanotubi di carbonio con un'eccellente conduttività sono utilizzati per sostituire parte del carbonio conduttivo per realizzare le piastre positive al litio ferro fosfato. Le prestazioni di carica e scarica della batteria al litio-fosfato di ferro sono notevolmente migliorate.

La capacità di scarica della batteria al litio-ferro-fosfato nano a -40 ℃ è pari al 47,1% della capacità a 25 ℃, mentre la capacità di scarica della normale batteria al litio-ferro-fosfato è pari solo al 37,5% della capacità a 25 ℃. Le eccellenti prestazioni elettrochimiche della batteria sono attribuite principalmente al miglioramento della conduttività dell'intera batteria.

Per garantire la durata della batteria stessa, la temperatura di esercizio deve essere controllata tra 20 e 50 ℃. Le caratteristiche di temperatura della batteria al litio ferro fosfato sono state chiarite, il che è di grande importanza per la progettazione del sistema di gestione termica della batteria.