【摘 要】
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当今碳达峰、碳中和是21世纪的一场能源革命,储能技术是能源革命中的重要发展方向。随着电化学储能占比的逐年快速增长,以锂离子电池为储能装置进行装机运行的占比也逐渐增加,因此,对于维持储能锂离子电池满电状态运行的充电方式值得深入研究。本文以额定容量为21Ah的软包磷酸铁锂电池为研究对象,基于浮充的充电方式,使用相关试验设备研究电池在常规电压、高电压、以及高温条件下的浮充对电池性能的影响。试验对电池的容
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当今碳达峰、碳中和是21世纪的一场能源革命,储能技术是能源革命中的重要发展方向。随着电化学储能占比的逐年快速增长,以锂离子电池为储能装置进行装机运行的占比也逐渐增加,因此,对于维持储能锂离子电池满电状态运行的充电方式值得深入研究。本文以额定容量为21Ah的软包磷酸铁锂电池为研究对象,基于浮充的充电方式,使用相关试验设备研究电池在常规电压、高电压、以及高温条件下的浮充对电池性能的影响。试验对电池的容量、电流、内阻等电池性能参数进行分析,同时探究浮充后电池的热安全性和电池材料的热稳定性。常规电压3.40V、3.65V、3.75V和3.85V下浮充200天(25℃)后容量保持率均在93%以上,且容量保持率随着浮充电压的升高而升高,且浮充后未出现产气和鼓包,证明浮充电方案的可行性。此款电池浮充电压建议在电池最高工作电压如3.65V及临近值,浮充电流在0~10m A范围内,同时建议浮充应当以一定周期进行阶段性的浮充最为合适,从而避免不间断浮充造成电池过充。在长期不间断的浮充下,电池会出现过充、活性物质损失和内阻增大等现象,但这些老化现象较小,且不同电压带来的差异影响并不明显。这说明磷酸铁锂电池作为储能电池进行浮充的稳定性。在4.05V、4.25V、4.50V和5.0V高电压下浮充24小时(25℃)后,4.25V条件下电池出现鼓胀,且随电压的升高鼓胀加剧,5.0V下电池浮充破裂。所以高电压会直接破坏电池的安全性。高电压浮充后电池活性材料溶解、析锂现象发生,隔膜被刺穿,但电池并未达到隔膜相变温度(120.63℃)。高电压浮充后,在高温热失控试验中随浮充电压升高电池破裂温度下降,提前破裂释放能量使得热失控触发温度升高,但并不意味着电池具有较好的安全性。随浮充电压电压的升高,热失控达到的最高温度升高,最大温升速率也明显升高,表明高电压浮充后电池热稳定性变差,热失控更加剧烈。高温(50℃)浮充导致电池出现产气和结构的鼓胀,且这种电池结构的鼓胀是从极耳处和正极一侧向外蔓延。浮充后电池容量保持率急剧衰减,60天后的容量保持率均低于80%,而随着浮充电压升高,其容量保持率递减加剧,高温下浮充电压差异带来的影响明显增大,因此要避免长期的高温浮充。高温浮充后电池活性材料和活性锂离子损失严重,界面反应动力学受到阻碍,电池内阻明显增加,且电池放电脉冲功率能力减小,这些老化随浮充电压的升高而加快。电池高温热失控试验对比发现,高温浮充后电池,其隔膜完全熔断温度升高和热失控触发温度升高,而热失控最高温度和热失控最大温升速率(d T/dt)明显减小。实验表明高温浮充后电池在热滥用下不易导致热失控的发生,且热失控剧烈程度降低。
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