主题：【第九届原创】温度对锂离子电池性能的影响

温度对锂离子电池性能的影响

表1-1  实验仪器和设备

      高低温交变湿热试验箱（湿热试验箱）：高低温交变湿热试验箱可以设定一定的温度和湿度进行研究样品的性能，也可以研究按设定好的程序进行不同温度和湿度的改变下样品的性能，还可以设定温度变化范围，用以检测一定温度范围内样品的性能。它还能够按照设定定时开关机，并且高低温交变湿热试验箱还有记忆数据的功能，记忆时间能够长达6个月以上，另外还具有保持、跳段、待机以及两组时间信号同时输出的功能。
      电池测试系统：电池测试系统是研究电池的重要仪器，它可以用以测试电池的电流、容量、电压、内阻、充放电效率、温度以及循环寿命等性能。它可以同时测试多组电池，这使它的测试效率大大提高。
      真空干燥箱：真空干燥箱广泛用于医药、食品、轻工、化工、农业科研、环境保护等实验领域作粉末干燥，烘焙以及各类玻璃容器的消毒和灭菌之用。真空干燥箱具有干燥物品速度快、污染小、不对被干燥物品的内在质量造成破坏的优点。真空干燥箱专为干燥热敏性、易分解、易氧化物质而设计，能够向内部充入惰性气体，特别是一些成分复杂的物品也能进行快速干燥。
1.2 实验操作方法
样品：钴酸锂锂离子电池（φ6.8mm，容量约120~150mAh，电压3.0~4.2V）
参数设定：充电电流-----0.15A      充电截止电压-----4.2V

放电电流-----0.15A      放电截止电压-----3.0V
      先将样品电池接入电池测试系统，然后使其放在在设定温度状态下的真空干燥或箱高低温交变湿热试验箱中，最后按照一定程序进行充放电循环。首先对电池以0.15A进行恒流充电，当电压达到4.2V时，保持电压恒定进行恒压充电，充电电流会随着时间不断变小，当充电电流为0.01A我们认为充电过程完成；然后将电池搁置一分钟，接着以0.15A的恒定电流放电，这时电池电压会不断减小，当电压小于3V时我们认为放电过程完成。下图1.5为充放循环曲线.

二  结果与讨论
2.1 不同温度下电池的容量和内阻
        将电池放入真空干燥或箱高低温交变湿热试验箱中进行充放电循环，循环次数为5次，计算其平均容量（图2.1）和内阻（图2.2）。

      由图2.1可以看出，在温度低于25℃时，电池容量随温度的升高逐渐增大，在高于25℃时，电池容量随温度的升高逐渐减小，但电池在低于25℃时容量的变化更快。由图2.2可以看出，在-20℃到60℃温度范围内，电池的内阻随温度的升高而逐渐降低。产生这个现象的原因是由于在高低温条件下，一方面是电池的电极材料及结构发生了部分不可逆的变化，一方面是电解液中的锂离子浓度及传导性发生了的变化。在低于25℃时，锂离子的迁移速率随温度的降低迅速下降，从而使电池的内阻迅速增加，再加上电极材料及结构部分不可逆的变化，并且电解液中的锂离子浓度下降，导致电池低温时的容量迅速下降。在高于25℃时，锂离子的迁移速率随温度的升高迅速上升，从而使电池的内阻下降，但由于电极材料及结构发生了部分不可逆的变化，并且由于温度的升高使电池负极和电解液的反应加速生成SEI膜，进一步消耗了电池中的锂离子，综合影响下，电池的容量下降，但没有低温时下降的那么快。
2.2 不同温度下电池的循环
    在室温下，将电池接入电池测试系统，按上述步骤设定循环次数为200次，进行充放电循环，得到如下图2.3电池的容量衰减。

        当电池循环到200次时，其放电容量为124mAh，约为初始容量138mAh的89.86%。
        将电池接入电池测试系统，然后放入真空干燥箱，设定温度为60℃，待干燥箱温度稳定后，按上述步骤设定循环次数为200次，进行充放电循环，得到如下图2.4电池的容量衰减。

      当电池循环到第75次时，其放电容量为101mAh，约为初始容量126mAh的80%，达到了其寿命。
      将电池接入电池测试系统，然后放入高低温交变湿热试验箱，设定温度为-20℃，待高低温交变湿热试验箱温度稳定后，按上述步骤设定循环次数为200次，进行充放电循环，得到如图2.5电池的容量衰减。

    当电池循环到第55次时，其放电容量为57mAh，约为初始容量71.1mAh的80%，达到了其寿命。

      由图2.6可知，电池的内阻随循环次数的增加持续增加。
      综上所述，温度对锂离子电池寿命的影响很大。在室温下电池循环200次后，容量依然可以达到初始容量的89.86%，而电池在高温下循环75次后，容量便降到了初始容量的80%；在低温时容量的下降速度更快，循环55次后容量便降到了初始容量的80%。
    上述结果表明，温度对锂离子电池性能的影响很大。高低温下电池循环性能的影响因素主要有电极材料及结构和Li的传输性发生了部分不可逆的变化、电池内阻随循环次数的增加持续增大。另外电解液低温时导电性能的迅速下降，引起电池内阻的迅速增加，导致电池在低温时的输出性能变差，高温下电池正极和电解液的反应加速生成更多的SEI膜，使电池中的锂离子含量下降，导致电池循环性能变差。

由图可以看出电池在不同温度下的充放电效率都很高，基本上都接近于1。

三  结论
      温度对锂离子电池的性能有很大的影响。高低温下电池性能的影响因素主要有电极材料及结构和Li⁺的传输性发生了部分不可逆的变化、电池内阻随循环次数的增加持续增大、电解液中锂离子的传导性和电解液与电极发生副反应等。通过实验得出以下结论：
1.在温度低于25℃时，电池容量随温度的升高逐渐增大，在高于25℃时，电池容量随温度的升高逐渐减小，但电池在低于25℃时容量的变化更快。
2.电池的内阻随温度的升高而逐渐降低。
3.温度对锂离子电池寿命的影响很大。高低温下电池的寿命均明显下降，且低温下下降的更明显。
4.电池的内阻随循环次数的增加持续增加。
5.电池在不同温度下的充放电效率都很高，基本上都接近于1，受温度的影响不大。