锂离子电池测试技术

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– 对于充电过程的主要参数主要包括
• 充电接受能力(充电效率) • 充电最高电压
– 关于充电效率以及最高充电电压
• 充电效率:电池在充电时用于活性物质转化的电能与充电时所消 耗的总电能之比,以百分数表示。充电电流的大小、充电方法、 充电时的温度直接影响充电效率。充电效率高表示电池接受充电 的能力强,充电初期充电效率较高,接近100%,充电后期由于电 机极化增加,充电效率较低,在电极上伴随有大量的气体析出。 • 充电最高电压:标志整个充电过程的电压。充电电压越低,说明 电池在充电过程中的极化就越小,电池的充电效率就越高,电池 的使用寿命就有可能更长。
锂离子电池基本概念
• 电池性能的基本概念
– 电池容量
• 是指电池获得电量的值,常用C表示,单位常用Ah或mAh表示。 电池容量通常分为理论容量、实际容量和额定容量。
– 电池的贮存性能
• 是指电池开路时,在一定条件下容量自行下降的现象,也称自 放电。对于二次电池来说,贮存性能称充电保持能力。 • 自放电的大小,可用自放电率来表示,即用单位时间内容量降 低的百分数来表示: X%=(C前-C后) / C前*T*100%
• 电池以0.2C5A放电至终止电压后,外接(30 X n)Ω负载放电 24h。过充电和过放电后,电池不爆炸,不起火,不冒烟,不 漏液。
– 短路保护性能
• 电池按充电制式1充电后,将正负极用0.1Ω电阻器短路1h,电 池应不爆炸,不起火,不冒烟,不漏液。 • 将正负极断开,电池以1C5A瞬时充电5s后,用电压表测量电压 应不小于n X 3.6V
• 循环寿命
– 在环境温度20±5℃条件下以1C5A充电,达到充电 限制电压时,改为恒压充电,直到充电电流小于或 等于20mA,停止充电,搁置0.5~1h,然后以1C5A 放电至终止电压,搁置0.5~1h,在进行下一个充放 电循环,直到连续两次放电时间小于36min,则认 为寿命终止,电池循环寿命应不小于300次。
充放电模 拟回路
放电曲线
X轴为时间
Y 轴 为 电 压 值
锂离子电池基本概念
• 电池的基本性能概念
– 电池的放电曲线
• 放电曲线反映了电池放电过程中电池工作电压真实的变化和容 量状况,所以放电曲线是电池电性能优劣的重要标志。一般总 是希望曲线越平越好。有时为了分析和研究电池电压下降的原 因,还需要测量单个电极的放电曲线,借以判断电池容量、寿 命下降主要发生在哪个电极上。工业上也经常根据放电曲线来 分选电池。
– 充电过程的实际问题
• 过程控制,适当的充电控制对优化电池性能,保护电池安全可靠 十分重要。一般多采用智能化的充电IC进行控制。
锂离子电池充电过程
恒流
恒压
电流衰减
电池充放电性能测试
• 电池放电性能测试
– 放电性能受放电制度影响,放电制度主要包括放电 时间、放电电流、环境温度、终止电压等。 – 放电的主要方法
电池性能的检测标准
• 环境适应性测试
– 恒定湿热性能 – 耐振动和耐碰撞 – 自由落体运动
环境适应性相关测试略
电池性能的检测标准
• 安全保护性能
– 过充电保护性能
• 电池按充电制式1充电结束后,用恒流恒压源持续给电池加载 8h。恒流恒压源电压设定为2倍标称电压。电流设定为2C5A的 外接电池。
– 过放电保护性能
电池性能的检测标准
• 各项性能检测要求
– 进行各项性能检测是,采用的充电制式都应该相同; 应采用以下两种充电方式中的一种进行充电:
• (充电制式1)在20±5℃条件下,用0.2C5A充电,当端 电压达到充电限制电压是,改为恒压充电,直到充电电 流小于或等于0.01C5A,停止充电,最长充电时间不大于 8h。 • (充电制式2)在20±5℃条件下,以1C5A充电,达到充 电限制电压时改为恒压充电,直到充电电流小于或等于 0.01C5A,停止充电,最长充电时间不大于8h。
电池充放电性能测试
• 电池恒电流放电方法
– 放电系统回路
也可用恒压源外加大电阻构成
由电子稳流电路组成的恒流源
Y 轴 为 电 压 值
通过电池在恒流放电过程中电压 随时间变化的线性曲线,分析电 池的放电性能
放电曲线
X轴为时间
电池充放电性能测试
• 电池恒阻放电方法
– 放电过程中保持负荷电阻为一定值,放电至终 止电压,所记录电压随时间的变化。(用于一 次电池) – 恒阻放电又分为

3. 1C5A放电容量
• 电池按充电制式1充电后搁置0.5~1h,以1C5A放电到终 止电压,放电时间应不低于51min。
电池性能的检测标准
• 高低温性能
1. 高温性能:
• 将电池按充电制式1充电后,放入55±2℃高温箱 中恒温2h,以1C5A放电至终止电压,放电时间应 不低于51min,电池外观无变形、无爆裂。
• 恒流放电(常用放电方法) • 恒阻放电(常用于一次电池的检测)
– 关于放电终止电压
• 由于不同的放电条件,规定的电池放电终止电压也不同
– 低温或大电流放电时,终止电压相对较低。(原因:低温或 大电流放电视,电极的极化大,活性物质不能得到充分利用, 电压下降快。) – 小电流放电时,终止电压相对较高。(原因:小电流放电时, 电极的极化小,活性物质能够得到重复利用。)
• 见下页
锂离子电池基本概念
• 电池的基本性能概念
– 电池的工作电压测量方法
TingMS测试 管理系统
充放电模拟回 路,测量4节锂 离子充电电池 再放电状态下 的压降状况。
MX100数据采 集器
用导线连接到 数据采集器 MX100的通讯 模块中。并将 采集的数据通 过以太网传输 至PC PC端采用 TingMS测试管 理系统,实时 检测放电时压 降变化。以电 压为纵坐标, 时间为横坐标, 构成放电曲线
电池性能的检测标准
• 20℃放电性能
操作步骤: 1. 预循环
• 在20±5℃条件下,以0.2C5A充电,当端电压达到充点 限制电压后,搁置0.5~1h,在以0.2C5A放电到终止电压。
按充电制式1将电池充电后搁置0.5~1h,以0.2C5A放电 到终止电压,放电时间不低于5h。
2. 0.2C5A放电性能
锂离子电池测试技术
目录
• 锂离子电池基本概念 • 电池性能测试技术
– – – – – – – – – 基本性能概念 电池性能检测标准 充放电性能测试 电池容量测试 电池寿命测试 电池内阻、内压测量 电池温度性能 自放电及贮存性能 安全性能
锂பைடு நூலகம்子电池基本概念
• 锂离子电池构造
– 正极:活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,现在又出现了镍钴锰酸锂材料,电动 自行车则用磷酸铁锂,导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔 – 隔膜:一种特殊的复合膜,可以让离子通过,但却是电子的绝缘体 – 负极:活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,导电集流体使用厚度7-15微米的 电解铜箔 – 有机电解液:溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂,聚合物的则使用凝胶状电解液 – 电池外壳:分为钢壳(现在方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、 铝塑膜(软包装)等,还有电池的盖帽,也是电池的正负极引出端
说明:对上文中红色标记的解释 C5A是描述一个电池本身容量标准中一个放电电流的单位,直观意义是这电池在充满电状态下放电到2.75或者3V, 用C5A这么大的电流,能放电5小时,那么C5 A就代表的是这个放电电流,又可以简称1C电流 一个标称容量为700mAh的电池,那么它的1C5A就表示700mA,0.2C5A就表示140mA。
– 电池内阻的阻值要求
• 电池整体内阻应小于150mΩ;电芯内阻小于70mΩ。(手机充 电电池标准)
锂离子电池基本概念
• 电池的基本性能概念
– 电池的工作电压
• 又称为放电电压或负载电压,是指电池在放电时两端的电压, 也可理解为电流通过外线路时,电池两极的电压。 • 一般电池的放电模式有两种:恒阻放电和恒流放电
Li+
Li+ Li+
Li+
Li+
C
Li+ Li
Li
Co
Co Co
Co Li+
Li+ Li+
Li+
电 解 质
Li
Li+
Li+ Li+
Li
Li+
Li+
正极 LiCoO2
放电时
负极 C
锂离子电池基本概念
• 电池性能包括容量、电压特性、自放电、 贮存性能、高低温性能,二次电池还包括 循环性能、充放电特性、内压等。
– 恒阻放电:工作电压与电流都随放电时间的延长而下降。
– 恒流放电:工作电压随放电时间的延长而下降。(二次电池常用 该模式)
• 通常在放电开始的瞬时(几秒)测得的电压为初始工作电压。 电压下降到不宜再放电的最低电压成为终止电压。
– 低温或大电流放电时,终止电压较低;小电流放电时,终止电压较高。
– 电池工作电压测量
• 连续放电(常用) • 间歇放电(常用) • 交替连续放电(非常用)
说明略
电池容量测量
• 电池容量测量方法
– 电池容量测量方法与电池放电性能测量方法一 致,主要有恒流放电方法与恒阻放电方法等。 – 主要根据放电时间与电流的大小计算电池的容 量。
• 采用恒流放电方法,由于放电过程中电流稳定,因 此很容易计算其容量。 • 恒流放电方法的放电容量与放电电流有很大关系, 并且放电制度、充电制度、搁置时间等对容量有影 响。
• 一般来说,电池最基本的性能是容量、电 压特性(输出工作电压)、内阻、贮存性 能、寿命、温度特性等。
锂离子电池基本概念
• 电池的基本性能概念
– 电池的开路电压
• 是指两极间所连接的外线路处于处于断路时,两极间的电位差。 由于正负两极在电解液中不一定处于热力学平衡状态,因此电 池的开路电压不一定等于电池的电动势,通常接近于电动势但 总小于电动势。 • 其中电池的电动势是从热力学函数计算得出的,而电池的开路 电压是实际测量出来的。
电池性能的检测标准
• 贮存性能
– 式样电池应选择生产后存放不到3个月的电池, 贮存前按充电制式1充入40%~50%的容量,然后 在20℃±5℃,相对湿度45%~85%的环境中贮存 12个月后,按充电制式1完全充电后,以0.2C5A 放电到终止电压,放电时间不少于4h。
电池充放电性能测试
• 电池充电性能测试
锂离子电池基本概念
• 电池性能的基本概念
– 充电电压
• 是指二次电池在充电时,外电源加在电池两端的电 压。 • 充电的基本方法
– 恒电流充电:充电过程中充电电流恒定不变。 – 恒电压充电:充电电压始终保持定值。充电开始时电流较 大,随着充电反应的进行电流逐渐减小。
• 对于锂离子电池的充电,如前所述,充电时锂离子 在炭负极的层间嵌入,放电时锂离子从碳材料的层 间脱嵌。由于原子的特殊性,决定了锂离子电池充 电的特殊性,经常采用恒流恒压充电的方法。
– C前----电池贮存前容量 – C后----电池贮存后容量 – T--------贮存时间常用天、月或年计算
电池性能的检测标准
• 检测标准
– GB/T18287-2000(国标) – UL2504(美华认证实验室) – BATSO(电池安全组织-关于锂电动自行车)
• 检测项目
– – – – – – – – 外观 放电性能 高低温性能 荷电保持性能 循环寿命 耐热、耐振动、耐碰撞、耐自由跌落性能 过充保护、过放保护、短路保护的安全性能 耐重物冲击、热冲击等性能检测
2. 低温性能
• 将电池按充电制式1充电后,放入-20±2℃(对聚 合物锂离子电池为-10±2℃)的低温箱中恒温 16~24h,然后以0.2C5A放电至终止电压,放电时间 应不低于3h,电池外观无变形、无爆裂。
电池性能的检测标准
• 荷电保持能力
– 电池按充电制式1充电后,在20±5℃环境中,将电 池开路搁置28d,在以0.2C5A放电至终止电压,放 电时间应不低于4.25h。
锂离子电池基本概念
• 工作原理
– 离子电池是一种充电电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间 移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱 嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于 富锂状态;放电时,Li+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极。
O
Co
充电时
Co Li+ Li+
– 开路电压测量方法(基于MX100)
MX100数据采集
锂离子电池基本概念
• 电池的基本性能概念
– 电池的内阻
• 是指电流通过电池内部所受到的阻力,包括欧姆电阻和电化学 反应时极化所引起的极化电阻。
• 其中极化电阻包括:电化学极化电阻、浓差极化电阻 • 欧姆电阻包括:电极本身的电阻、电解质溶液电阻、离子通过 隔膜微孔时受到的阻力、正负极与隔离层的接触电阻
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