快充对高功率镍氢电池充电效率的影响研究

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图 1 不同充电方式内压、温度与时间的关系
212 高倍率恒流充电、脉冲充电电池循环性能的比较 30% SO C; 以下①~ ④充电制度充电至80% SO C; 7 较低倍率下脉冲充电与恒流充电对电池循环性 C、5 C、3 C 分别放相同电量至30% SO C; 进行循环Λ 能的影响及原因已有过研究[4 7], 为进一步验证上述 ①6 C 充 5 m in; ②712 C 充 5 s, 休息 1 s, 脉冲 50 次, 判断, 对 4 只N i2M H 电池进行了高倍率循环测试, 5 m in; ③8133 C 充316 m in; ④10 C 充5 s, 休息1 s, 所采用的充放电制度为: 1 C 放电至1 V ; 1 C 充电至 脉冲 36 次, 316 m inΛ
郑秋 (1982- ) , 男, 山东烟台人, 硕士研究生, 主要从事动力电池的快速充电方面的研究Λ
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图 5 为循环前后电池负极的循环伏安曲线Λ 图 中峰面积正比于合金的放电容量, 半峰宽则随着合 金电位的降低而增大, 可见超高倍率下脉冲充电电 池的负极比容量下降较多, 合金电位下降速度较快Λ 这也说明D 型N i2M H 电池高倍率循环充放电性能 的衰退是因为负极储氢合金性能衰退的结果Λ
3 结论
6% Λ为此考察了后两种充电方式300 周循环前后电
1 s, 36 次
循环后 2. 251 181. 35 81. 40
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图 3 电池及其正负极循环前后的放电情况
为进一步了解电池负极的情况, 采用SEM 观测 上述 3 只电池的负极极片 (图 4) , 可见循环前贮氢合 金裂纹较少, 经过8133 C 恒流和10 C 脉冲充电循环 后 合金粉化严重, 颗粒间相互分离, 其中经过 10 C 脉冲充电循环的电池负极贮氢合金表面更为细碎,
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北京工商大学学报 (自然科学版)
2006 年 11 月
图 5 循环前后电池负极的循环伏安关系
放电效率降低了1714% , 电池负极电位显著降低, 负 极比容量下降, 其腐蚀、氧化和粉化较为严重, 这是 电池充放电效率下降的主要原因Λ
参考文献:
[ 1 ] 闫杰, 周震, 王先友, 等. 直封AAA 型M H 2N i 电池的研 究[J ]. 电源技术, 1998, 22: 119.
为 1 V , 同时用H g H gO 参比电极测定正负极电位, 结果如图3Λ可见放电过程中3 只电池正极电位差别 不大, 电池端电压下降快慢的差别主要是由负极电 位的差别造成的Λ比较图3 中放电曲线, 电池放电至 端电压 1 V 时, 未经循环的电池负极的电位为838 mV , 8133 C 恒流充电的电池循环后负极的电 位为- 766 mV , 而10 C 脉冲2 ] 陈永辉, 魏进平, 高峰, 等. 电池高倍率循环寿命影响因 素探讨[J ]. 电源技术, 2001, 125: 142 145.
[ 3 ] 马丽萍, 李晓峰, 娄豫皖, 等. 镍氢电池 10C 放电循环寿 命 衰 减 机 理 研 究 [J ]. 功 能 材 料 与 器 件 学 报, 2005, 111: 103 108.
关键词: N i2M H 电池; 快速充电; 循环测试; 储氢合金 中图分类号: TM 91 文献标识码: A
镍氢 (N i2M H ) 电池以其良好的综合性能成为 现阶段混合电动车 (H EV ) 商品化的唯一电池Λ 但 N i2M H 电池的高倍率循环寿命较短, 价格偏高, 因 此研究高倍率循环对电池的影响, 确定其使用倍率 的极限, 改进电池设计和制作工艺, 提高其大电流性 能, 对拓展其应用范围有重要的意义Λ
温度对比结果Λ 从图 1 中可以看出, 较低倍率 ( 2 C , 214 C 脉
冲) , 脉冲充电整个过程中电池的内压和外壁温度都 远小于恒流充电的情况; 高倍率 (6 C, 712 C 脉冲) 充电时, 脉冲充电电池的内压和外壁温度小于恒流 充电, 但相差不大; 超高倍率 (8133 C, 10 C 脉冲) 下, 脉冲充电电池的内压稍小于恒流充电, 而充电 末期电池外壁温度已超过恒流充电Λ 由此可初步断 定 脉冲充电并不适合应用于N i2M H 电池的超快速 充电Λ
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陈 实等: 快充对高功率镍氢电池充电效率的影响研究
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放电效率有较大的影响, 8133 C 恒流充电的电池只 下降了 1116% , 而 10 C 脉冲充电的电池大电流效率 却下降了 1714% Λ 213 电池循环性能的差异分析
为分析上述现象产生的原因, 将经过 300 周循 环的 8133 C 恒流和 10 C 脉冲充电的两只电池同未 经循环的一只电池剖开, 分别浸入6 m o l L KO H 溶 液中, 011 C 充电12 h, 休息1 h, 011 C 放电至端电压
N i2M H 电池性能下降的原因是多方面的, 主要 包括负极合金的粉化和氧化, 正极的粉化和膨胀, 活 性物质脱落和隔膜中电解液含量的降低Λ 许多研究 者对N i2M H 电池的寿命衰减机理进行了研究, 大多 数是对AA、AAA 型电池进行的 1 C 以下电流的充 放电循环测试[1], 对在高倍率下使用的D 型动力电 池, 特别是针对充电制度的研究还较少Λ陈永辉等[2] 认为在 1 C 充放电循环下, D 型电池失效的原因为 负极活性物质的腐蚀、粉化和氧化Λ 马丽萍等[3] 对 N i2M H 电池在 10 C 放电条件下的循环寿命进行了 考察, 结果表明, 电池的温度较高, 导致合金腐蚀速 度加快, 负极性能下降Λ混合动力汽车蓄电池的充放 电情况与一般汽车的启动型蓄电池不同, 它常常工 作在电池效率较高的荷电状态 30%~ 80% SO C 之 间, 充放电电流较大, 且转换频繁, 电池性能下降的
图 2 放电容量及放电效率随循环次数的变化
电池循环容量测试条件是 1 C 充电至 ∃V = 池的性能, 结果如表1Λ可见电池在循环前后内阻、质
- 10 mV , 1 C 放电至 1 V Λ 不同充电条件下的循环 量变化不大, 而不同充电模式对电池的大电流充
性能如图 2Λ 可见 400 周循环测试中 6 C 恒流和 712 C 脉冲充电的电池 1 C 容量稍有下降, 放电效率几 乎没有变化; 而8133 C 恒流和10 C 脉冲充电的电池 在 300 周循环后 1 C 容量和放电效率都有较明显的
将脉冲充电与恒流充电的结果比较, 发现: 低倍 率时脉冲充电电池温度、内压较低, 对电池的影响较 小; 高倍率时脉冲充电电池温度、内压较高, 对电池 的影响较大Λ 高倍率脉冲充电循环后电池大电流充
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第 24 卷 第 6 期
北京工商大学学报 (自然科学版)
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Jou rnal of Beijing T echno logy and Bu siness U n iversity (N atu ral Science Edition)
N ov. 2006
表 1 循环前后电池的性能变化
充电方式 恒流 8133 C 充
316 m in
循环前 循环后
内阻 m 8 1. 170 2. 042
质量 g 182. 01 182. 01
效率 % 98. 71 97. 15
下降, 其中 10 C 脉冲充电的电池放电效率下降了
10 C 充 5 s, 休息 循环前 1. 322 181. 52 98. 80
粉化更为严重Λ 此结果表明, 10 C 脉冲充电对电池 负极的破坏大于 8133 C 恒流充电, 储氢合金的氧 化、粉化和腐蚀使电池对大电流的接受能力下降Λ同 时, 这又进一步直观地证明, 高倍率充放电循环使电 池性能下降的主要原因是负极活性物质的粉化Λ
图 4 循环前后电池负极贮氢合金的 SEM 照片
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2 结果与讨论
211 不同倍率恒流充电、脉冲充电过程中电池内 压、外壁温度的比较
实验采用 6 种充电制度对同一节电池进行充放 电, 充电制度分别为: (a) 2 C 恒流充电; (b) 214 C 充 5 s, 休息 1 s 脉冲充电; (c) 6 C 恒流充电; (d) 712 C 充 5 s, 休息 1 s 脉冲充电; (e) 8133 C 恒流充电; (f) 10 C 充 5 s, 休息 1 s 脉冲充电; 6 种充电方法均充电 至电池80% SO CΛ图1 为6 种充电方法的电池内压、
机理也不尽相同Λ 因此, 研究N i2M H 动力电池在工 作荷电状态范围内的高倍率充放电循环对电池性能 的影响在电池的设计和使用方面是有指导意义的Λ
1 实验部分
研究使用的 5 只额定容量为 8 A h 的混和动力 车用D 型N i2M H 电池样品1 C 充放电曲线重合性良 好Λ测试仪器为美国A rb in 动力电池测试仪, 充放电 过程中电池内压、外壁温度由A rb in 测试仪上的压 力传感器、温度传感器测得Λ电池顶部钻孔后密封于 压力容器中并与压力传感器连接, 温度传感器固定 在电池外壁上, 压力容器及内部的电池置于恒温箱 中, 温度控制在25±011 ℃Λ电池容量的测定条件是 8A 充电至 ∃V = - 10 mV , 休息 30 m in, 转入 8A 放 电至110 V Λ 电池的内阻在放电态测定, 测试仪器是 H IO K I 3551 型电池内阻测定仪Λ 使用L and 充放电 仪测定剖开电池的正负极充放电电位, 电池极片的 电化学性质由德国 IM 6e 电化学工作站测得Λ 采用 KYKY22800 型 SEM 观 测 电 池 负 极 贮 氢 合 金 形貌Λ