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技术干货:国内外动力电池对比测试分析

发布时间:2017-05-17 责任编辑:susan

【导读】依据GB/T31484GB/T31485GB/T31486检测标准,分别选取国内外不同材料不同封装形式(软包方形硬壳和圆柱形卷绕)的电池样品进行对标分析,其中包括比较成熟的国内4款磷酸铁锂蓄电池3款三元材料电池和1款锰酸锂材料电池,以及2款日韩系三元材料电池。
 
如下表所示试验对象均为电池模块:
 
 
能量密度对比
 
电池样品的能量密度对比如下表所示可以看出,对标测试的磷酸铁锂电池单体能量密度在109~143(Wh)/kg之间三元及锰酸锂电池能量密度在130~195(Wh)/kg之间,F型36Ah软包装三元电池能量密度最高达到194.93(Wh)/kg,J型35Ah锰酸锂电池接近130(Wh)/kg总的来说,三元材料电池能量密度高于磷酸铁锂电池,国内最好的磷酸铁锂能量密度可以达到143(Wh)/kg。
 
 
组成模组后,由于连接件及固定支架的原因,能量密度均有所下降,比能量损失率见上表。其中F型36Ah软包装三元电池模组能量密度损失最大,主要原因是含有散热装置和外壳,且出于模组安全性考量设计的金属外壳材质较厚;A42Ah方形硬壳磷酸铁锂电池和E型33Ah方形硬壳三元电池组成模块后能量密度损失最小,主要是未包含模块外壳,无固定装置,仅增加了连接片的重量动力电池模块和系统能量密度,是电动车能否在未来市场媲美传统燃油汽车的关键未来动力电池模块及电池系统轻量化设计,是提高电动汽车续航里程的关键技术。
 
低温性能比较
 
汽车用动力电池的低温性能是制约冬季电动车使用效率的瓶颈动力电池的低温性能主要受电解液正负极材料等因素的影响在低温环境下,电解液部分溶剂凝固,造成电子迁移困难,电导率降低;离子在电解液中受阻很大,离子迁移缓慢,导致动力电池充放电效率降低电池样品的-20℃低温放电性能比较如下图所示可以看出,磷酸铁锂电池在-20℃放电曲线差异较大,可以表征为低温下磷酸铁锂电池内阻不同D型270Ah方形硬壳磷酸铁锂电池放电初始压降最小,低温性能最好三元材料电池的低温放电曲线趋势一致,低温放电性能总体要好于磷酸铁锂材料电池由于不同的低温放电深度各有不同,故H型28Ah软包装三元电池的放电曲线稍短三元材料电池中I型6.3Ah圆柱形卷绕三元电池低温下内阻最大,电压平台低,低温性能最差。
 
高温性能对比
 
高温情况下,电池内部离子移动速度增大,浓差极化和电化学极化减轻,极化内阻减小,电池内部化学反应热增大,过分高温会使隔膜发生收缩,电解液发生副反应,造成电池寿命稳定性降低GB/T31486要求电池在室温下充满电,55℃高温下储存5h后评价动力电池的放电容量电池样品的高温放电性能比较如图2所示。
 
 
可以看出,磷酸铁锂和三元材料电池在高温下放电容量均是初始容量的100%以上在温度高于室温情况下,电池内部热传导率增大,电解液活性增强,内部极化内阻减小,55℃放电容量优于室温放电容量。
 
充放电倍率特性对比
 
GB/T31486以动力电池在3C电流强度放电来考核其放电倍率;以2C电流强度充电,且充电时长控制在30min内,来考核电池的充电倍率特性。放电倍率特性对比如图3所示;充电倍率特性对比如图4所示。
 
 
由图3可以看出,磷酸铁锂和三元材料电池的倍率放电容量均在96.7%以上,其中B型50Ah方形硬壳磷酸铁锂电池以8C放电电流放电,放电容量是初始容量的99.6%按照GB/T31486的要求,动力电池充放电倍率检测只进行一次倍率评价,而高倍率循环对电池寿命的影响还需进一步测试目前,GB/T标准未对倍率循环后的能量衰减做出要求,无法量化考核大电流冲击对电池循环寿命的影响,这一点还有待完善图4中磷酸铁锂和三元材料电池的充电倍率性能均高于国标要求的初始能量的80%以上在选型的10个样品中,磷酸铁锂电池的充电倍率特性要优于三元材料电池锂离子电池的充放电倍率特性决定了可以以多大的速度将能量存储在电池里;或者以多大的速度将能量从电池中释放出来倍率指标是电池能否作为车用能源系统的关键锂离子电池的充放电倍率性能,与锂离子在正负极电解液以及它们在界面的迁移能力和电池内部散热速率有关。因此,想要提高和改善充放电倍率特性,要从锂离子迁移速率和散热速率两方面着手,主要方法有:(1)提高正负极锂离子扩散能力;(2)提高电解质离子电导率;(3)降低电池内阻;(4)电池内部热场均衡。
 
存储性能对比
 
GB/T31486要求动力电池模块充满电,室温下以1C放电30min后,在45±2℃下储存28天,评价电池的容量恢复能力电池样品储存性能对比如图5所示。
 
 
可以看出,经过28天的储存后,大部分电池容量恢复率在97%以上,部分磷酸铁锂电池和三元电池的恢复率高于电池初始容量。
 
小结
 
目前国外以三元材料动力电池为主,国内磷酸铁锂和三元材料动力电池均有成熟产品对标测试研究表明,虽然三元材料能量密度优于磷酸铁锂材料,但国内较好的磷酸铁锂电池的能量密度也能达到143(Wh)/kg;在低温特性方面,磷酸铁锂材料电池的低温性能要劣于三元材料电池,充电倍率特性要优于三元材料电池;但是,动力电池由单体组成模块后,能量密度损失较大;GB/T标准缺少高倍率循环对电池容量衰减的考核,这一点还需要进一步完善。
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