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Prueba de alta y baja temperatura para baterías de litio

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Prueba de alta y baja temperatura para baterías de litio

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La energía y el medio ambiente son las dos cuestiones fundamentales a las que se enfrenta el desarrollo sostenible en el mundo actual. Los vehículos eléctricos híbridos, como medio de transporte ecológico y eficiente, se han promovido cada vez más en todo el mundo. Con la tecnología de preparación de baterías cada vez más madura, la batería de litio hierro fosfato, como parte importante del sistema de propulsión del vehículo eléctrico híbrido, tiene un impacto significativo en la potencia, la economía y la seguridad del vehículo. Debido a su alta densidad energética, larga vida útil, alta eficiencia de carga y descarga, amplio rango de temperatura aplicable, baja autodescarga, baja resistencia interna, ausencia de efecto memoria, carga rápida, alta seguridad, alta fiabilidad, bajo coste y reutilización, es reconocida como la batería de potencia para vehículos más prometedora.

Sin embargo, en el uso real de la batería de potencia, el material de fosfato de hierro y litio tiene una alta impedancia, lo que afecta directamente a la promoción y aplicación de la batería de potencia de fosfato de hierro y litio. Con el fin de resolver el problema de la alta impedancia de la batería y mejorar aún más el rendimiento de la batería de litio hierro fosfato, se preparó una batería de litio hierro fosfato sustituyendo parte del carbono conductor por nanotubos de carbono de excelente conductividad. Se analizó e investigó la influencia de la temperatura en la nanobatería de fosfato de hierro y litio a partir de la capacidad de la batería, la plataforma de tensión y la curva de descarga bajo diferentes temperaturas ambientales.

1 Ensayo

1.1 Equipo y objetos de prueba

Cámara de pruebas de alta y baja temperatura DGBELL, batería de litio hierro fosfato (monocelda 3,2 V, 10 Ah)

1.2 Pasos experimentales

(1) Ajuste la temperatura ambiente interna de la cámara de alta y baja temperatura a -40, -20, -100, 25, 40, 55 y 60 ℃, con una humedad relativa del 40%.

(2) Desarrollar métodos de carga y descarga: El método de carga consiste en cargar la batería con una corriente constante de 0,2C (2A) a 3,65V a (20 ± 5) ℃, cambiar a carga de tensión constante hasta que la corriente descienda a 200mA, y detener la carga. El método de descarga consiste en dejarla reposar durante IH a diferentes temperaturas ambiente, y luego descargarla a una corriente constante de 1C hasta que la tensión caiga hasta la tensión de corte de 2V, y calcular la capacidad descargada.

(3) Formular el esquema experimental: este experimento toma 25 ℃ como punto de referencia para la prueba de temperatura. En primer lugar, se realiza la prueba de rendimiento a baja temperatura. De 25 ℃ a -40 ℃, se toman como puntos de observación 0, -10, 20 y -40 ℃, respectivamente. La tasa de cambio de temperatura es de 1 ℃/min. En cada punto de prueba de temperatura, la batería para la prueba se coloca durante 24 horas, y luego se lleva a cabo la prueba de rendimiento de temperatura en este punto de temperatura; A continuación, realice la prueba de rendimiento de alta temperatura de la batería. Para eliminar el impacto de las pruebas a baja temperatura, primero se restablece la temperatura de la cámara de pruebas a alta y baja temperatura a 25 ℃, y se utilizan los datos medidos a esta temperatura como punto de referencia para las pruebas a alta temperatura. A continuación, realice pruebas de rendimiento a alta temperatura de la batería, a partir de 25 ℃ hasta 60 ℃, e investigue la capacidad de descarga a 1C de diferentes baterías de iones de litio.

(4) Cuando la cámara de alta y baja temperatura se estabilicen a las condiciones de temperatura establecidas, coloque la batería de iones de litio única con voltaje estándar de 3,2 V después de permanecer durante 1d en la cámara de prueba durante 1 h, para que pueda alcanzar el equilibrio térmico.

(5) Cuando la batería se descargue hasta la tensión de corte de 2,0 V, detenga la descarga, analice y procese los datos pertinentes.

2 Resultados y discusión

De los datos se desprende que la capacidad de descarga de la batería de nano litio hierro fosfato en la fase de baja temperatura disminuye gradualmente con el descenso de la temperatura ambiente, ya que en condiciones de baja temperatura, la concentración del electrolito de la batería es mayor y la velocidad a la que el ion de litio se desprende del material del electrodo negativo es menor.

Además, debido a que la resistencia interna de la batería se hace más grande, la curva de capacidad de descarga disminuye, y el voltaje de corte de descarga de la batería de energía de iones de litio se alcanza por adelantado, la capacidad de descarga disminuye, La eficiencia de descarga se reduce. A temperaturas superiores a 0 ℃, la capacidad de descarga puede mantener básicamente más del 93% de la capacidad normal, mientras que a temperaturas inferiores a 0 ℃, la tasa de disminución de la capacidad de descarga de las baterías eléctricas de iones de litio aumenta con la disminución de la temperatura.

En el caso de la batería de nano litio hierro fosfato, la capacidad es del 88% a -10 ℃, del 75,3% a 20 ℃, y sólo del 47,1% a -40 ℃; A 25-10 ℃, la tasa de disminución de la capacidad es de aproximadamente el 9,5%; A -10~-20 ℃, la tasa de disminución de la capacidad es de aproximadamente el -12,8%, pero la tasa de disminución de la capacidad aumenta bruscamente de -20 ℃ a -40 ℃, alcanzando aproximadamente el 28,2%. Por lo tanto, -20 ℃ puede considerarse un nodo de baja temperatura de la batería de litio hierro fosfato.

Cuando la temperatura es ligeramente superior a la temperatura ambiente (25 ℃), debido a la mayor actividad del material en el interior de la batería de iones de litio, aumenta la velocidad de difusión de los iones de litio y aumenta su capacidad de descarga. En la fase de alta temperatura, el cambio de capacidad de la batería no es muy significativo, y el cambio máximo de capacidad sólo aumenta en torno a un 3% en comparación con el valor de referencia.

Después de 55 ℃, la curva de capacidad se mantiene básicamente sin cambios, y a 60 ℃, la capacidad está al mismo nivel que el punto de referencia. Sin embargo, en condiciones de alta temperatura, las características físicas del material de electrodo de la batería de litio sufrirán una atenuación irreversible, y la intensidad de reacción del material de electrodo se debilitará, por lo que su capacidad de descarga y su eficiencia de descarga disminuirán. A partir de este punto, puede verse que el uso a largo plazo de baterías en entornos por encima de 50 ℃ debe evitarse en la medida de lo posible.

La temperatura ideal de funcionamiento de la batería de iones de litio debe estar entre 18~50 ℃ para garantizar que la eficiencia de descarga es superior al 80% y satisfacer las necesidades de energía de todo el vehículo. De algunas referencias y manuales técnicos se desprende que, para garantizar la vida útil de la propia batería, la temperatura de trabajo debe controlarse entre 20 y 50 ℃.

A - 20 ℃, la capacidad de descarga de las dos baterías de litio diferentes es del 75,01% de la capacidad nominal, y el rendimiento de la batería de nano litio fosfato de hierro es mejor que el de la batería de litio fosfato de hierro; A -40 ℃, el rendimiento de descarga de la batería de nano litio fosfato de hierro es más excelente, y la capacidad de descarga es del 47,1% de la capacidad nominal, mientras que la batería de litio fosfato de hierro es sólo del 37,5%. Por lo tanto, el uso de nanotubos de carbono con excelente conductividad para sustituir parte del carbono conductor para fabricar placas positivas de fosfato de hierro y litio ha mejorado enormemente el rendimiento de carga y descarga de la batería de fosfato de hierro y litio.

3 Conclusiones

Se ha investigado el comportamiento en temperatura de la nanobatería de litio-hierro-fosfato y de la batería de litio-hierro-fosfato de carbono conductor ordinaria. Los resultados experimentales muestran que la temperatura ambiente tiene un gran impacto en la capacidad de la batería de litio hierro fosfato.

La capacidad decae rápidamente a bajas temperaturas, y la capacidad verde aumenta rápidamente a altas temperaturas, pero la tasa de cambio es menor que a bajas temperaturas. Además, se utilizan nanotubos de carbono de excelente conductividad para sustituir parte del carbono conductor en la fabricación de placas positivas de fosfato de hierro y litio. El rendimiento de carga y descarga de la batería de litio hierro fosfato mejora considerablemente.

La capacidad de descarga de la pila de nanofosfato de hierro y litio a -40 ℃ es el 47,1% de la capacidad a 25 ℃. La capacidad de descarga de la pila de fosfato de hierro y litio ordinaria es sólo el 37,5% de la capacidad a 25 ℃. El excelente rendimiento electroquímico de la batería se atribuye principalmente a la mejora de la conductividad de toda la batería.

Para garantizar la vida útil de la propia batería, la temperatura de funcionamiento debe controlarse entre 20~50 ℃. Se aclaran las características de temperatura de la batería de litio hierro fosfato, lo que es de gran importancia para el diseño del sistema de gestión térmica de la batería.