鋰電池充放電測(cè)試方法詳解

時(shí)間：2022-12-06作者：東莞市賽測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司瀏覽：229

扣式電池充放電模式包括恒流充電、恒壓充電、恒流放電、恒阻放電、混合式充放電以及階躍式等不同模式充放電。實(shí)驗(yàn)室中常采用恒流充電(CC)、恒流-恒壓充電(CC-CV)、恒壓充電(CV)、恒流放電(DC)對(duì)電池充放電行為進(jìn)行測(cè)試分析，而階躍式充放電模式則多用于直流內(nèi)阻、較化和擴(kuò)散阻抗性能的測(cè)試?？紤]到活性材料的含量以及較片尺寸對(duì)測(cè)試電流的影響，恒流充電中常以電流密度形式出現(xiàn)，如mA/g(單位活性物質(zhì)質(zhì)量的電流)、mA/cm2(單位較片面積的電流)。充放電電流的大小常采用充放電倍率來表示，即：充放電倍率(C)=充放電電流(mA)/額定容量(mA˙h)，如額定容量為1000 mA˙h的電池以500 mA的電流充放電，則充放電倍率為0.5 C。目前電動(dòng)汽車用鋰離子電池已發(fā)布使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCT/743—2006中指出鋰離子通用的充放電電流為C/3，因此含C/3 的充放電行為測(cè)試也常出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室鋰離子電池充放電測(cè)試中。

倍率性能測(cè)試有3 種形式，包括采用相同倍率恒流恒壓充電，并以不同倍率恒流放電測(cè)試，表征和評(píng)估鋰離子電池在不同放電倍率時(shí)的性能;或者采用相同的倍率進(jìn)行恒流放電，并以不同倍率恒流充電測(cè)試，表征電池在不同倍率下的充電性能;以及充放電采用相同倍率進(jìn)行充放電測(cè)試。常采用的充放電倍率有0.02 C，0.05 C，0.1 C，C/3，0.5 C，1 C，2 C，3 C，5C和10C等。

對(duì)電池的循環(huán)性能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，主要需確定電池的充放電模式，周期性循環(huán)至電池容量下降到某一規(guī)定值時(shí)(通常為額定容量的80%)，電池所經(jīng)歷的充放電次數(shù)，或者對(duì)比循環(huán)相同周次后電池剩余容量，以此表征測(cè)試電池循環(huán)性能。此外，電池的測(cè)試環(huán)境對(duì)其充放電性能有一定的影響。

下文將詳細(xì)介紹充放電測(cè)試所用的儀器和方法。

1 實(shí)驗(yàn)儀器介紹

鋰電池的充放電測(cè)試一般采用恒流-恒壓充電、恒流放電模式，記錄該過程中的測(cè)試時(shí)間、電壓和電流等數(shù)據(jù)，通過分析該過程中數(shù)據(jù)的變化來表征電池或材料的容量、庫侖效率、充放電平臺(tái)以及電池內(nèi)部參數(shù)變化等電化學(xué)性能參數(shù)。

現(xiàn)階段國內(nèi)外相關(guān)單位使用的電池測(cè)試系統(tǒng)包括Arbin公司的電池測(cè)試系統(tǒng)、新威公司的電池測(cè)試系統(tǒng)、藍(lán)電公司的系列電池測(cè)試系統(tǒng)以及MACCOR公司的電池測(cè)試系統(tǒng)等，見表1。此外拜特電池測(cè)試系統(tǒng)和Bitrode電池測(cè)試系統(tǒng)則多用于大容量電池、電池組等裝置的測(cè)試分析。一些電化學(xué)工作站也具有扣式鋰電池電化學(xué)性能測(cè)試功能，但由于通道設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)等原因，多用于電 池的循環(huán)伏安法測(cè)試分析、阻抗測(cè)試及短時(shí)間的充放電測(cè)試，電化學(xué)工作站儀器廠家包括Autolab、Solartron、VMP3、Princeton、Zahner(IM6)、上海辰華等。

在實(shí)驗(yàn)室鋰電池的測(cè)試過程中，還經(jīng)常要用到防爆箱和恒溫箱(圖1)。實(shí)驗(yàn)室用電池防爆箱多用于大容量電池的測(cè)試，在研究扣式電池一些特殊性能測(cè)試的時(shí)候也會(huì)用到，如高倍率、高溫性能測(cè)試等。實(shí)驗(yàn)室用恒溫箱溫控多為25 ℃，且實(shí)際溫度與設(shè)定溫度間的溫差精度不**過1 ℃。在電池的高低溫性能測(cè)試中，較低溫度可達(dá)到70 ℃，較高溫度可達(dá)150 ℃?？紤]到寬溫度范圍的恒溫箱價(jià)格較貴，且應(yīng)用較為集中，因此建議多臺(tái)恒溫箱設(shè)定不同溫度集中測(cè)試使用，即同一種驗(yàn)證材料組裝多支扣式電池分別測(cè)試常溫及高低溫性能，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試常用溫度為25 ℃、55 ℃和80 ℃(圖2)。在選擇恒溫箱時(shí)，盡量采用專門用于電池測(cè)試的恒溫箱，此類恒溫箱含有專業(yè)的絕緣絕熱口用于連接電池測(cè)試導(dǎo)線。電池在連接測(cè)試夾具時(shí)，需使用絕緣鑷子，且測(cè)試電池需整齊置于防爆箱或恒溫箱內(nèi)，設(shè)定測(cè)試溫度，待溫度達(dá)到設(shè)定溫度后開啟電池測(cè)試程序，測(cè)試過程中建議貼標(biāo)簽注釋測(cè)試信息(圖 3)。

表 1 幾種電池測(cè)試系統(tǒng)主要性能對(duì)比

2 充放電測(cè)試常規(guī)實(shí)驗(yàn)流程

將測(cè)試電池安裝在測(cè)試儀器上，置于(25±1)℃ 測(cè)試環(huán)境中。設(shè)置以下程序：靜置10 min;以1.0 C電流恒流充電至4.2 V，然后恒壓充電至電流下降至0.05 C，充電停止;靜置5 min;然后以1.0 C 電流恒 流放電至3.0 V;重復(fù)上述充放電步驟5～10次。

上述測(cè)試參數(shù)為常規(guī)全電池測(cè)試參數(shù)，一般正極材料/金屬鋰扣式電池的電壓范圍為3.0～4.3 V，負(fù)極 材料/金屬鋰扣式電池的電壓范圍為0.005～1.0 V，特殊高電壓正極材料(如高電壓鈷酸鋰、尖晶石鎳錳酸 鋰、富鋰錳基層狀氧化物等材料)或其它正極材料(如磷酸鐵鋰材料)可依據(jù)電極材料特性和電解液、固態(tài)電解質(zhì)耐受氧化電壓進(jìn)行電壓范圍調(diào)整，其它參數(shù)不變。負(fù)極材料/金屬鋰扣式電池以及無鋰正極材料(如 MnO2 等)/金屬鋰扣式電池在測(cè)試時(shí)首先放電至較低電壓窗口，然后進(jìn)行充電。需要注意的是，目前在許多文章中的負(fù)極材料測(cè)試范圍為 0.005～3.0 V，而在全電池測(cè)試過程中，一般能夠采用的電壓范圍對(duì)應(yīng)于負(fù)極半電池測(cè)試實(shí)際上不**過1.0 V，例如對(duì)于石墨或者硅基負(fù)極材料，可用的電壓范圍為0.005～0.8 V，對(duì)于鈦酸鋰這種負(fù)極材料，可用的電壓范圍為1.2～1.9 V。因此對(duì)于某些文章中在寬電壓范圍內(nèi)獲得的高容量和高**庫侖效率，其在全電池中并不能發(fā)揮出來，實(shí)際意義并不大。針對(duì)軟碳或硬碳負(fù)極材料，或者目前正在開發(fā)的復(fù)合金屬鋰負(fù)極材料，放電截止電壓可以較低，如 0 mV甚至50 mV，具體情況需要具體分析。建議多數(shù)負(fù)極材料的半電池測(cè)試控制電壓范圍在0.005～1.0 V，**過這個(gè)電壓范圍，在結(jié)果的陳述及應(yīng)用前景的描述上需要特別聲明，以免夸大結(jié)果。

測(cè)試電池材料實(shí)際容量的時(shí)候，盡量使用小倍率進(jìn)行充放電，以減小較化產(chǎn)生的容量誤差，得到電池的真實(shí)容量，一般選擇 0.1 C 的倍率進(jìn)行測(cè)試。

操作人員在測(cè)試儀器上裝卸扣式電池時(shí)需佩戴絕緣手套及口罩和防護(hù)眼鏡;由于測(cè)試通道較多，需對(duì)測(cè)試電池、測(cè)試通道進(jìn)行特殊標(biāo)記，并在相關(guān)儀器前貼醒目標(biāo)簽注釋以防他人誤操作。

3 倍率充放電測(cè)試常規(guī)實(shí)驗(yàn)流程

倍率充放電測(cè)試一般分為3 種形式，相同倍率充電不同倍率放電、不同倍率充電相同倍率放電和不同的倍率充放電測(cè)試。下面以充放電電壓窗口為3.0～4.2 V 的扣式電池測(cè)試為例進(jìn)行介紹。

電池連接測(cè)試儀器并置于穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，靜置5 min;以0.5 C 電流放電至3.0 V，靜置10 min 后以0.5 C 恒流充電至4.2 V，在4.2 V 恒壓至電流下降為0.05 C 截止，然后以不同形式進(jìn)行倍率充放電測(cè)試。

相同倍率充電不同倍率放電的實(shí)驗(yàn)流程為：靜置5 min 后以不同的倍率放電至3.0 V，并記錄放電容量，靜置10 min 后以0.5 C 恒流充電至4.2 V，在4.2 V 恒壓至電流下降為0.05 C 截止。不同倍率充電相同倍率放電的實(shí)驗(yàn)流程為：靜置5 min 后，以0.5 C 倍率恒流放電至3.0 V，靜置10 分鐘，然后以不同倍率恒流充電至4.2 V，在4.2 V恒壓至電流下降為0.05 C 截止。

不同的倍率充放電的實(shí)驗(yàn)流程為：靜置5 min后，以不同的倍率恒流放電至3.0 V，靜置10 min，然后以相同的倍率(電流)進(jìn)行恒流充電至4.2 V，在4.2 V 恒壓至電流下降為0.05 C 截止。

根據(jù)測(cè)試形式，改變不同的倍率重復(fù)上述某個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，充放電倍率由低到高(一般為0.2 C、0.5 C、1 C、2 C 以及5 C 等較高倍率)。建議相同倍率充放電循環(huán)5～10 次。

4 充放電循環(huán)測(cè)試常規(guī)實(shí)驗(yàn)流程

在對(duì)電池的循環(huán)性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可在上述充放電測(cè)試(2節(jié)內(nèi)容)的基礎(chǔ)上，增加循環(huán)次數(shù)，對(duì)比相同循環(huán)次數(shù)后的容量保持率。或重復(fù)充放電循環(huán)，當(dāng)放電容量連續(xù)兩次**初始放電容量的80%時(shí)，確定此時(shí)的循環(huán)周數(shù)。

5 高低溫測(cè)試常規(guī)實(shí)驗(yàn)流程

鋰離子電池高低溫性能測(cè)試中，高溫性能測(cè)試一般設(shè)置為45 ℃、55 ℃、80 ℃或較高溫度，低溫性能測(cè)試一般設(shè)置為0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃或-40 ℃，測(cè)試流程同2、3、4 節(jié)內(nèi)容。測(cè)試數(shù)據(jù)需要與室溫的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，因此在高低溫測(cè)試之前需進(jìn)行常溫的充放電測(cè)試(即2節(jié)測(cè)試內(nèi)容)。而在進(jìn)行放電效率測(cè)試的時(shí)候，建議采用室溫(25±1)℃下進(jìn)行恒流-恒壓(CC-CV)模式充電至** SOC，在不同溫度下靜置30 min 后進(jìn)行恒流放電(DC)。

參考資料：

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